À la fin du XIXe siècle, aux États-Unis, un groupe de cow-boys découvre et part explorer une mystérieuse vallée peuplée de créatures préhistoriques. Après de nombreuses péripéties, les aventuriers parviennent à capturer au lasso un Allosaurus nommé Gwangi, le ramènent en ville dans une cage improvisée et l'exposent dans un cirque. Mais le dinosaure parvient à s'échapper et sème la panique...
Un écrivain sur le déclin arrive dans une petite bourgade des États-Unis pour y promouvoir son dernier roman de sorcellerie. Il se fait entraîner par le shérif dans une mystérieuse histoire de meurtre dont la victime est une jeune fille du coin.