El eterno soñador y corazón de oro Larry Daley (Ben Stiller), a pesar de no contar a menudo con la suerte a su favor, está convencido de estar predestinado a hacer algo grande. Pero nunca pensó en algo tan "grande” cuando acepta lo que parece ser un sencillo trabajo como guarda de seguridad nocturno del museo de ciencias naturales de Nueva York. Durante la vigilancia de Larry empiezan a suceder cosas extraordinarias: Mayas, Gladiadores Romanos y cowboys salen de sus exposiciones para participar en batallas épicas; en su búsqueda del fuego, un Neanderthal prende fuego a su propia exposición; Atila el Huno se dedica a saquear las exposiciones vecinas, mientras que el T-Rex se encarga de recordar a todo el mundo por qué es considerado el depredador más fiero de la historia. Entre todo este caos, la única persona que puede ayudar a Larry es la figura de cera del Presidente Teddy Roosevelt (Robin Williams), quien intenta que nuestro héroe pueda tener aquel desastre bajo control lo antes posible, parar una trama vil y salvar el museo.