Paleontolog Rick Marshall har en jobb på lavt nivå ved La Brea Tar Pits, tre år etter at et katastrofalt intervju med Matt Lauer fra Today ble en viral video på Internett og ødela Marshalls karriere. Doktorgrad-student Holly Cantrell forteller Marshall at hans kontroversielle hypoteser som kombinerer tidsreiser og paleontologi inspirerer henne. Hun viser ham et merkelig fossil som gir av sterk takyon-energi. Holly overbeviser ham om å hjelpe henne med en tilsynelatende rutinemessig ekspedisjon til hulen hvor Holly fant et fossil. Der oppdager Marshall høye nivåer av Takyon. Han aktiverer en takyon-forsterker, noe som utløser et jordskjelv som åpner et ormehull som de faller inn i. Gruppen befinner seg plutselig i en ørken, fylt av forskjellige gjenstander og skapninger fra mange ulike tidsepoker. De redder en primat-lignende skapning, Cha-Ka fra Pakuni-stammen, som blir deres venn og guide.