Un homme titube sur les chemins mal tracés d'une montagne sinistre. Son sang coule en abondance et, quand il meurt, une de ses mains reste crispée sur un sac contenant un petit animal vivant et furieux. Son frère Carlos, chef d'une troupe de Bohémiens s'empare du sac, malgré l'avertissement d'une vieille sorcière qui prédit la vengeance de Gwangi, maître de la vallée interdite. Non loin de là, dans une petite ville mexicaine, se produit le rodéo de T.J. Breckenridge, la célèbre amazone et de ses cow-boys. Survient, lors du spectacle, Tuck Kirby, autrefois partenaire de T.J. avant de se disputer avec elle. Il veut acheter le cheval de T.J. pour le revendre à un autre cirque, celui de Buffalo Bill. Teresa refuse le marché, qui ruinerait son spectacle dont le clou est justement constitué par son numéro avec le cheval que veut Tuck. D'autre part, elle vient d'acquérir de Carlos un minuscule cheval, le mystérieux animal contenu dans le sac. Un paléontologue anglais qui fait des fouilles dans le voisinage est captivé par la vue de l'animal, qui est, selon lui, un « eohippus », race disparue depuis cinquante millions d'années. Dès lors, le savant n'a plus qu'un but : aller dans la vallée interdite où peut-être d'autres races survivent encore. Mais le petit animal a été volé et tous partent à sa recherche, le savant ne pensant qu'aux honneurs qui récompenseront sa découverte et les gens du cirque à l'argent que l'exhibition de l'animal leur rapportera. Ils sont ainsi amenés à pénétrer dans la vallée interdite où toutes sortes d'animaux préhistoriques, le plus souvent très agressifs, les attendent. Le plus spectaculaire d'entre eux est Gwangi, un allosaurus féroce et carnassier. La petite troupe finit pourtant par le capturer. Il va être exhibé dans de vastes arènes quand soudain le monstre, dont la cage a été entrouverte par un nain ami de la sorcière qui avait prédit la vengeance de Gwangi, s'élance vers les spectateurs et cause une panique. Le monstre sera finalement enfermé dans une église qui, incendiée, sera le théâtre de sa mort.