La última aventura de Indiana Jones (Harrison Ford) empieza en el desierto del suroeste de Estados Unidos en 1957, en plena Guerra Fría. Indy y su amigo Mac (Ray Winstone) acaban de escapar por los pelos de las garras de unos infames agentes soviéticos en un remoto aeropuerto. El profesor Jones regresa a casa y se entera de que las cosas van de mal en peor. Su mejor amigo, el decano de la Universidad (Jim Broadbent), le dice que muchos sospechan de las últimas actuaciones de Indy y que el gobierno presiona a la Universidad para que le despidan. Indiana, a punto de irse, conoce a un joven rebelde llamado Mutt (Shia LaBeouf), que le propone un trato. Si el arqueólogo le ayuda a resolver un problema personal, podría hacer uno de los descubrimientos más espectaculares de la historia; se trata de la Calavera de Cristal de Akator, un objeto legendario que despierta la fascinación, la superstición y el miedo. Indy y Mutt viajan al rincón más perdido de Perú, tierra de antiguas tumbas, exploradores olvidados y rumores de una ciudad de oro. Pero no tardan en descubrir que no están solos; los agentes soviéticos también quieren apoderarse de la Calavera de Cristal. Los miembros de una unidad militar de élite, dirigidos por la fría, calculadora y letalmente bella Irina Spalko (Cate Blanchett), quieren apoderarse de la Calavera, convencidos de que ayudará a los soviéticos a dominar el mundo... si consiguen descifrar su secreto. Indy y Mutt deberán despistar a los despiadados soviéticos, seguir la pista de un misterio insondable, sortear a enemigos y amigos dudosos y, sobre todo, impedir que la Calavera de Cristal caiga en las manos equivocadas.

Una anciana aparece asesinada en el salón de su casa a las afueras de Oxford. Su cuerpo es descubierto por dos hombres que en ese momento se encuentran por primera vez: Arthur Seldom (John Hurt), prestigioso profesor de Lógica, y Martin (Elijah Wood), un joven estudiante americano recién llegado a la universidad con la intención de que el famoso profesor dirija su tesis doctoral.

Es el verano de 1870. En la Universidad de Harvard se está celebrando la ceremonia de graduación, en la que participan Averill e Irvine. Años más tarde, en el invierno de 1891, cuando ambos amigos han cumplido cuarenta años, las circunstancias de cada uno de ellos son muy distintas. Averill, más serio y visiblemente más viejo, se ha convertido en el Marshall federal. Por su parte Irvine, destruído y arruinado por la bebida, pero todavía en su sano juicio, es miembro de la asociación Stock Growers Agricultores, que está inmersa en un conflicto.