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...
Chargé d'enquêter sur l'attentat d'un ferry, le policier Doug Carlin expérimente une nouvelle machine qui permet de remonter le temps et de découvrir le passé d'une des victimes.