距离上次印地安那·琼斯博士的冒险故事已过去19年，大银幕里的虚构故事与现实时间同步。印地安那在他任教的马歇尔大学度过了19年，却面临政府施压，有被大学解雇的风险。1957年，正值冷战高峰期，印地安那面对的敌人从德国纳粹变成了苏联特工。在一番莫名的枪林弹雨和追杀后，印地安那偶遇名叫马特·威廉姆斯的年轻人，他是个喜欢穿皮夹克、造型标准的小阿飞摩托党。马特得知印地安那的身份后，便请他一同前往秘鲁森林的古代墓地，寻找名为“水晶头骨”的神器，据说这是外星人遗留之物，拥有控制人心智的强大力量。还有另一拨人也一心想得到“水晶头骨”，那是以苏联女特工艾瑞娜·斯帕科为首的精锐部队。别看艾瑞娜是女性，却是个极度冷血之人。此外，邪恶的考古学家麦克以及印地安那的旧爱玛丽昂·瑞文伍德也卷入了这场混乱的争夺战。“水晶头骨”最终花落谁家，很可能影响冷战的整体局势，以及两个国家的命运。