侏羅紀公園災難過去二十二年，努布拉島（英语：Isla Nublar）被重新擴建成一座名為「侏羅紀世界」的恐龍主題樂園。樂園營運主管克萊兒·戴寧每日專注於接待幾萬名遊客以及處理樂園事務，將她的兩個前來樂園度週末的侄子格雷和查克·米契兄弟，託付給她的女助理莎拉照顧。克萊兒隨後去宣傳即將對外展示的樂園新賣點，世界首隻轉基因恐龍「帝王暴龍」（Indominus Rex），牠是由七種恐龍[15]以及一些現代動物的基因混合培育而成，由遺傳學家亨利·吳博士帶領的科研團隊製造，自出生起便放入單獨的飼育場內成長，如今體形與攻擊性均遠超預期。
退伍海軍歐文·葛雷迪擔任樂園的動物行為學家，養育著四隻聽從他命令的迅猛龍，分別叫作小藍（Blue）、查理（Charlie）、德塔（Delta）、艾可（Echo）。但樂園安全主管維克·霍斯金認為這些恐龍將來能用於軍事方面，而歐文和其助手巴瑞對此想法一直嗤之以鼻。歐文受克萊兒之託前往帝王暴龍的飼育場，去做對外開放前的最後安全審視。然而，帝王暴龍有意制造出牠已爬墻逃脫的假象，讓克萊兒迅速緊張而立即駕車返回控制中心，並未察覺到帝王暴龍正在用保護色以及調節體溫躲避熱成像儀偵測。兩名進飼育場視察的保安直接被吃掉，帝王暴龍隨即衝破閘門逃脫至外界，唯獨躲在車底且用汽油掩飾氣味的歐文逃過一劫。樂園總裁賽門·馬斯蘭尼派出保全隊將其捕回，但隊伍反遭帝王暴龍靠偽裝設伏而幾近全滅，克萊兒只好關閉北區、將所有遊客聚集至主園區。
格雷和查克脫離看護莎拉自行去遊玩，兩兄弟搭上水晶球式遊園車遊覽草食恐龍園區，選擇不理會樂園發佈的疏散指示，並沿著一處撞開的閘門闖進森林禁區。兄弟倆隨後撞見帝王暴龍襲擊甲龍群，棄車僥倖逃跑後躲進舊園區的棄置遊客中心，靠修復停在車庫的吉普車後駕車返回主園區。克萊兒得知查克和格雷失蹤，驚慌之下拜託歐文陪她前去尋找，兩人經過舊園區中途同樣遇見帝王暴龍，只能從出口逃脫。危機急轉直下迫使馬斯蘭尼擔起責任，親自駕駛裝載加特林機槍的私人直升機，在兩名保安陪同下在空中追擊帝王暴龍。然而帝王暴龍闖進翼龍園區，導致部分翼龍受驚飛出園區帷幕攻擊直升機，使馬斯蘭尼駕駛失控而墜機身亡。其他翼龍飛到主園區襲擊遊客，保全隊出動用鎮靜劑制伏翼龍群過程中，歐文和克萊兒返回主園區成功找到查克和格雷。
霍斯金趁亂帶領軍隊全面接管園區，意圖出動四隻迅猛龍追擊帝王暴龍，歐文只好勉強答應，親自領軍釋出四隻迅猛龍進行追蹤並成功找到目標所在。但帝王暴龍同樣擁有迅猛龍基因，直接成為牠們的新首領，讓四隻迅猛龍瞬間倒戈轉向攻擊人類。迅猛龍查理在混亂中被炸死，歐文和巴瑞只好全線撤退，沒達到目的的霍斯金只好作罷，命令吳將所有實驗資料及剩餘基因改造恐龍蛋迅速撤出實驗室。逃回展館的歐文一行人目睹大量轉基因胚胎被撤出，霍斯金仍認為這些實驗成果足以讓他東山再起，但迅猛龍德塔突然闖入實驗室，在不聽從指令的情況下殺死霍斯金。
歐文等人跑到展館外再度被迅猛龍群與帝王暴龍攔下，但歐文透過接觸小藍成功重獲迅猛龍的信任，讓牠們反向攻擊帝王暴龍。德塔和艾可很快被殺，克萊兒意識到雙方實力懸殊，聯繫控制中心開閘釋放圍欄中的暴龍，引誘其與帝王暴龍交戰。暴龍與最後僅存的迅猛龍小藍合作將帝王暴龍擊退到池邊，而池中的滄龍竄上岸，將帝王暴龍拖入水中直到溺斃。兩隻肉食恐龍平靜地各自離開，所有遊客被安全疏散至哥斯達黎加大陸，歐文和克萊兒將兄弟倆平安送回父母身邊後決定呆在一起，而努布拉島隨著樂園關閉而再次變成恐龍自由之地。