イスラ・ヌブラル島で起こった「ジュラシック・パーク」の惨劇から22年後、インジェン社はマスラニ・グローバル社（マスラニ社）に買収され、島はサイモン・マスラニ社長の所有に渡る。マスラニ社は、亡くなったジョン・ハモンドが夢見た恐竜のテーマパークを新たに「ジュラシック・ワールド」として実現させ、今や世界中から毎日二万人の旅行者が訪れる人気の観光施設として成功を収めていた。パークの運営責任者のクレア・ディアリングは、訪ねてきた甥のザックとグレイに構う間もないほど多忙な日々を送っていた。クレアは二人をアシスタントのザラ・ヤングに任せ、オーナーのサイモンと遺伝子操作によって生み出された新種のハイブリッド恐竜「インドミナス・レックス」について話し合う。サイモンは、インドミナスを飼育するための防壁が適当かどうか、ヴェロキラプトル（ラプトル）の調教師であるオーウェン・グレイディに評価させるよう命じた。インジェン社の警備部門長であるヴィック・ホスキンスはオーウェンに対して、ラプトルを兵器として軍事利用する話を持ちかけるも一蹴される。その直後、アクシデントにより飼育員の一人が4頭のラプトル（ブルー、デルタ、エコー、チャーリー）が暮らす飼育エリアに落下してしまう。オーウェンは自ら飼育エリアに入ってラプトル達を制し、辛くも飼育員を救い出す。その光景を目の当たりにしたホスキンスは、改めてラプトルを人間の支配下に置くことは現実的であると確信したのであった。クレアはオーウェンのバンガローを訪れ、マスラニからの要請を伝える。オーウェンはインドミナスの飼育エリアに到着したものの、そこにいるはずのインドミナスはなぜか姿を消しており、生体反応も確認されない上、内部の防壁に真新しい爪痕が残されていた。クレアは直ちに恐竜が脱走したとの報をパークのコントロール・ルームに連絡。オーウェンと二人の職員も防壁の爪痕を調べるため飼育エリア内に入った。しかしそれはインドミナス自身が仕掛けた罠であり、インドミナスは最初から外へ逃げ出してはおらず、自らの生体反応を隠蔽し待ち伏せしていたのであった。クレアはコントロール・ルームからの連絡でインドミナスが脱走していないことを知るも時すでに遅く、インドミナスは飼育エリア内にいたオーウェンらを襲撃、職員二人を捕食し殺害してパーク内に脱走してしまう。管理棟に戻ったクレアはACU（Asset Containment Unit - 資産管理部隊）を出動させインドミナスの追跡・捕獲作戦を開始。だがインドミナスは自ら剥ぎ取った追跡装置を使った罠と保護色によるカモフラージュで部隊を撹乱して返り討ちにしてしまう。この事態を受け、サイモンがインドミナスのDNAを設計したヘンリー・ウー博士を問い詰めると、様々な生物のDNAを組み込んだことでインドミナスにはカモフラージュ能力や体表からの赤外線放射を抑制し赤外線カメラを欺く能力が備わっていることが判明する。その頃、何も知らないザックとグレイは監視役であるザラの目を盗み彼女の元を離れ、二人きりでパークを満喫していた。クレアの指示によりパークの北半分を閉鎖、来場客全員をパーク中央のメインエリアに避難させる中、「ジャイロスフィア」と呼ばれる操縦式のカプセルで恐竜たちを間近で見るアトラクションに参加していた二人は避難指示とクレアからの電話にも構わず散策を続け、立ち入り禁止の森林エリアでインドミナスの襲撃を受ける。兄弟は滝壺に飛び込んで危機を逃れ、旧ジュラシック・パークのビジターセンターに放置されていた古いジープを修理し、パーク中央への帰還を図る。一方、インドミナスを抹殺する作戦でサイモンは兵士らを同乗させて自らヘリコプターを操縦しながらインドミナスを追うが、逃げるインドミナスはそのまま翼竜園のドームへ突進、ガラス壁を突き破りドーム内部へと侵入する。その結果多くのプテラノドンやディモルフォドンなどの翼竜が次々とドームから逃げ出していき、サイモンらの乗るヘリコプターはその翼竜達の襲撃を受けて同乗していた兵士らを殺された挙句、同様にドームのガラス壁を破壊しながら墜落。サイモンもそのヘリコプターと運命を共にする。そしてその事態により、ドーム内の翼竜達が一斉に脱走し始めてしまう。脱走した翼竜の群れはそのままパークのメインエリアに飛来し、そこに避難していた多くの来場者らやスタッフらを襲い始めたことでパークは大パニックに陥る。ジープでの帰還を果たしたザックとグレイはザラと再び合流したものの、ザラはプテラノドンに捕らえられてモササウルスがいる湖に落とされ、二人の目の前でプテラノドン諸共モササウルスに一飲みにされてしまう。そこへ、ザックとグレイを探しに行き同様にインドミナスの襲撃を受けながらも生き延びたオーウェンとクレアが戻って兄弟と再会を果たし、翼竜の群れを掻い潜って管理棟を目指す。管理棟では、パークの実質的指揮権を握ったホスキンスがこの混乱を好機と考えてインジェン社の兵士を呼び寄せ、ラプトルを兵器として利用する実地テストを兼ねてインドミナスを追う作戦を立てていた。不本意ながらもその作戦に協力することにしたオーウェンは、ラプトル達の頭にカメラを付けて放ち、援軍のインジェン社兵士のチームとともにバイクで後を追う。そしてオーウェンらはインドミナスを発見するが、ラプトルのDNAをも有しているインドミナスは、追ってきたラプトル達と意思疎通して追跡部隊を襲うよう仕向けた。兵士が次々とラプトル達に襲われ殺されていく中、インドミナスはジャングルの中へと逃げ去る。ラプトルの一頭チャーリーはロケットランチャーで爆殺され、残りのラプトル三頭の内ブルーがオーウェンと攻防し、デルタとエコーが脱出を図るクレアと兄弟を乗せて走るトラックを襲撃する。追いかけてくるラプトルをどうにか撃退した三人はオーウェンと合流し、パークのメインエリアに戻りインジェン社の遺伝子研究所へ入った。そこで四人は証拠隠滅と逃走を図るホスキンスと鉢合わせする。彼は既に遺伝学者のウーをはじめ、残りの人員全てをインドミナスの受精卵とともに島から脱出させていたのだ。しかし突然そこへ侵入してきたデルタがホスキンスを襲い殺害。四人はその隙に研究所から抜け出すも遂に目抜き通りでブルーら三頭のラプトルに囲まれてしまう。だがオーウェンはラプトル達に語りかけ、三頭はオーウェンとの絆を思い出し再び彼の味方に付く。そこへインドミナスが現れ、ラプトル達が反旗を翻したと知るやブルーを壁に叩き付ける。オーウェンは銃を手に、残るエコーとデルタ二頭のラプトルと共にインドミナスに立ち向かうが、その圧倒的な強さにデルタとエコーは殺され、オーウェンもザック、グレイと共にインドミナスに追い詰められてしまう。クレアはインドミナスに対する最後の対抗策として、ティラノサウルス・レックスを飼育エリアから解放、発煙筒でインドミナスの下へ誘導する。相見えた二頭の肉食恐竜は激突し死闘を展開するが、インドミナスの力はティラノサウルスをも凌駕していた。手負いのティラノサウルスにインドミナスがとどめを刺そうとした刹那、意識を回復したブルーが現れインドミナスに飛びかかった。その隙にティラノサウルスは反撃に転じ、ブルーと共にインドミナスに猛攻を仕掛け湖エリアの縁へと追い詰めた。重傷を負いながら尚も二頭に対して闘志を剝き出しにするインドミナスだが、騒ぎと血の匂いを嗅ぎつけて湖から跳び出してきたモササウルスに喰らい付かれ、水中へと引きずり込まれていったことで戦いは決着。その直後、ティラノサウルスは目の前のブルーを一瞥したものの襲うことなくその場を後にし、ブルーもまた、オーウェンとの別れを惜しむかのように去っていった。そしてオーウェンら四人は無事、コスタリカの避難所に到着。ザックとグレイは両親と再会し、オーウェンとクレアの仲も戻る。そして朝を迎えたイスラ・ヌブラル島では、死闘を終え再び自由を取り戻したティラノサウルスが、崩壊し無人となったパークを見下ろしながら王者の如く咆哮を轟かせていた。