東西冷戦時代の1957年。アメリカ国内の米軍基地を女KGBスパイ、イリーナ・スパルコ（ケイト・ブランシェット）率いるソ連軍が襲撃。捕らえたインディ（ハリソン・フォード）に銃を突きつけ、神秘の力を秘めたクリスタル・スカルの捜索を強要する。インディはなんとか逃げ延びたものの、彼の前にマット（シャイア・ラブーフ）という謎の青年が出現。マットによると、クリスタル・スカルを追っていたインディの旧友オックスリー教授（ジョン・ハート）に危機が迫っているという。クリスタル・スカルの謎を解くため、インディとマットはオックスリーを探しにペルーへ飛ぶが…。