James Cameron nos lleva a algunos de los paisajes más profundos, extremos y desconocidos de la Tierra en busca de las extrañas criaturas que allí viven. Junto a él, un equipo de jóvenes científicos de la NASA y biólogos marinos, que consideran que estas formas de vida son las que algún día podríamos encontrar en el espacio exterior, no en planetas distantes de estrellas lejanísimas, sino en los océanos de nuestro propio sistema solar.
Misterios del Océano es el resultado de varias expediciones a las fuentes hidrotermales de las fosas oceánicas. Allí las interacciones entre el mar y las rocas fundidas crean plumas de agua sobrecalentada y cargada de minerales que son un oasis para animales como ninguno antes descubierto. Gusanos de dos metros sin estómago, cangrejos blancos ciegos, gambas que ven el calor, todos compitiendo para encontrar el lugar correcto entre los flujos de aguas hirvientes y los nutrientes.

Un tiburón ballena de 30 toneladas acecha a una guardería de peces, los delfines saltan sobre el agua a 30 kmh. Descendiendo en el abismo, un pulpo vuela con alas y un calamar vampiro usa la bioluminiscencia para crear un despliegue extraordinario de colores. El primer reportaje de larga duración tomado a 2000m bajo el agua captura anguilas, cangrejos y isopodos gigantes consumiendo completamente un cuerpo en 3 horas.

En este tercer episodio veremos como un velociraptor caza pterosaurios en un acantilado junto a una cascada. Un tiranosaurio con cicatrices de batalla cuida sus heridas y se encuentra con un recién llegado. Con su cuerpo emplumado y su pico de pato, un deinocheirus de ocho toneladas recorre un humedal asiático en busca de alivio frente a las molestas moscas que le pican.
Una hembra de quetzalcoatlus construye y vigila su nido. Una madre masiakasaurio y su familia cazan cangrejos. Unos elasmosaurios entran en un estuario en busca de peces.

Carl Sagan cuenta la historia del cangrejo Heike cuya cara se asemeja a los guerreros samurai para abrir una explicación de la selección natural frente al diseño inteligente, el desarrollo de la vida sobre el calendario cósmico, la explosión cámbrica, las funciones del ADN y la bioquímica de la evolución, el experimento de Miller-Urey, la posible vida extraterrestre. En la actualización del episodio diez años posterior, Sagan habla de las propiedades del ARN y el posible papel de los cometas portando moléculas orgánicas o causando extinciones masivas.