侏罗纪公园灾难过去二十二年，努布拉岛（英语：Isla Nublar）被重新扩建成一座名为“侏罗纪世界”的恐龙主题乐园。乐园营运主管克莱儿·戴宁每日专注于接待几万名游客以及处理乐园事务，将她的两个前来乐园度周末的侄子格雷和查克·米契兄弟，托付给她的女助理莎拉照顾。克莱儿随后去宣传即将对外展示的乐园新卖点，世界首只转基因恐龙“帝王暴龙”（Indominus Rex），它是由七种恐龙[15]以及一些现代动物的基因混合培育而成，由遗传学家亨利·吴博士带领的科研团队制造，自出生起便放入单独的饲育场内成长，如今体形与攻击性均远超预期。
退伍海军欧文·葛雷迪担任乐园的动物行为学家，养育著四只听从他命令的迅猛龙，分别叫作小蓝（Blue）、查理（Charlie）、德塔（Delta）、艾可（Echo）。但乐园安全主管维克·霍斯金认为这些恐龙将来能用于军事方面，而欧文和其助手巴瑞对此想法一直嗤之以鼻。欧文受克莱儿之托前往帝王暴龙的饲育场，去做对外开放前的最后安全审视。然而，帝王暴龙有意制造出它已爬墙逃脱的假象，让克莱儿迅速紧张而立即驾车返回控制中心，并未察觉到帝王暴龙正在用保护色以及调节体温躲避热成像仪侦测。两名进饲育场视察的保安直接被吃掉，帝王暴龙随即冲破闸门逃脱至外界，唯独躲在车底且用汽油掩饰气味的欧文逃过一劫。乐园总裁赛门·马斯兰尼派出保全队将其捕回，但队伍反遭帝王暴龙靠伪装设伏而几近全灭，克莱儿只好关闭北区、将所有游客聚集至主园区。
格雷和查克脱离看护莎拉自行去游玩，两兄弟搭上水晶球式游园车游览草食恐龙园区，选择不理会乐园发布的疏散指示，并沿著一处撞开的闸门闯进森林禁区。兄弟俩随后撞见帝王暴龙袭击甲龙群，弃车侥幸逃跑后躲进旧园区的弃置游客中心，靠修复停在车库的吉普车后驾车返回主园区。克莱儿得知查克和格雷失踪，惊慌之下拜托欧文陪她前去寻找，两人经过旧园区中途同样遇见帝王暴龙，只能从出口逃脱。危机急转直下迫使马斯兰尼担起责任，亲自驾驶装载加特林机枪的私人直升机，在两名保安陪同下在空中追击帝王暴龙。然而帝王暴龙闯进翼龙园区，导致部分翼龙受惊飞出园区帷幕攻击直升机，使马斯兰尼驾驶失控而坠机身亡。其他翼龙飞到主园区袭击游客，保全队出动用镇静剂制伏翼龙群过程中，欧文和克莱儿返回主园区成功找到查克和格雷。
霍斯金趁乱带领军队全面接管园区，意图出动四只迅猛龙追击帝王暴龙，欧文只好勉强答应，亲自领军释出四只迅猛龙进行追踪并成功找到目标所在。但帝王暴龙同样拥有迅猛龙基因，直接成为它们的新首领，让四只迅猛龙瞬间倒戈转向攻击人类。迅猛龙查理在混乱中被炸死，欧文和巴瑞只好全线撤退，没达到目的的霍斯金只好作罢，命令吴将所有实验资料及剩馀基因改造恐龙蛋迅速撤出实验室。逃回展馆的欧文一行人目睹大量转基因胚胎被撤出，霍斯金仍认为这些实验成果足以让他东山再起，但迅猛龙德塔突然闯入实验室，在不听从指令的情况下杀死霍斯金。
欧文等人跑到展馆外再度被迅猛龙群与帝王暴龙拦下，但欧文透过接触小蓝成功重获迅猛龙的信任，让它们反向攻击帝王暴龙。德塔和艾可很快被杀，克莱儿意识到双方实力悬殊，联系控制中心开闸释放围栏中的暴龙，引诱其与帝王暴龙交战。暴龙与最后仅存的迅猛龙小蓝合作将帝王暴龙击退到池边，而池中的沧龙窜上岸，将帝王暴龙拖入水中直到溺毙。两只肉食恐龙平静地各自离开，所有游客被安全疏散至哥斯达黎加大陆，欧文和克莱儿将兄弟俩平安送回父母身边后决定呆在一起，而努布拉岛随著乐园关闭而再次变成恐龙自由之地。