La fantástica aventura arranca cuando Larry Daley, un soñador que no tiene donde caerse muerto y cuyas imaginativas ideas nunca le han reportado nada, se halla acuciantemente necesitado de conseguir un empleo. Larry siempre ha creído estar destinado para grandes cosas. Pero no tiene idea de cuán literalmente ciclópeo y peliagudo es el reto al que tendrá que enfrentarse cuando acepta, a regañadientes, el supuestamente humilde turno de madrugada como guarda de seguridad en el Museo de Historia Natural. En su primera noche de trabajo, Larry recibe una linterna descomunal y un folleto de instrucciones con las hojas señaladas; a continuación, se queda solo en el silencio espectral de un museo que más parece una caverna. Al menos, piensa que está solo.

Pero... Aguarda. ¿Qué es ese ruido? Paralizado, sin dar crédito a sus ojos, Larry observa con pavor y conmoción que uno a uno, las bestias prehistóricas y los personajes históricos que le rodean cobran vida de forma mágica, y se produce un estrago descomunal. Entonces, cuando entre el Tiranosaurio y Atila, el rey de los hunos, dejan un rastro de destrucción a través de los corredores de mármol, y los leones y los monos merodean entre las delicadas piezas, Larry no tiene ni idea de cómo recuperar el control del museo. A punto de perder el juicio, Larry se ve obligado a recabar la ayuda de un peso pesado de la historia, Teddy Roosevelt, sólo para llegar con vida a la mañana. Enfrentado con la posibilidad de perder su empleo y decepcionar una vez más a su hijo, Nick, Larry tiene que librar una increíble batalla para salvar el museo, con la esperanza de convertirse por fin en el audaz y arrojado padre que siempre quiso ser. El hombre que se había pasado la vida esperando tener su momento de grandeza... acaba de tropezar con él.