Dans les années 1950, une expédition en Amazonie découvre, grâce à des preuves fossilisées datant du Dévonien, un lien entre la terre et les animaux marins. Le chef de l'expédition Carl Maia rend alors visite au Dr David Reed, un ichtyologiste qui travaille dans un institut de biologie marine, qui persuade à son tour le Dr Williams de financer les recherches pour retrouver d'autres preuves.

A la fin du XIXème siècle, aux Etats-Unis, un groupe de cow-boys découvre et part explorer une mystérieuse vallée peuplée de créatures préhistoriques (animées par Ray Harryhausen), notamment un Eohippus, un styracosaure, un ptéranodon et un Ornithomimus.

Oscar et Ben dans le besoin demandent à leur soeur Régina, épouse d'un banquier de leur prêter de l'argent, mais elle s'y refuse. Le fils d'Oscar décide alors de dérober des titres boursiers...