Nouveau Mexique, fin des années soixante. Carlos, un bohémien, vend au cirque de Teresa Breckenridge un cheval d’une taille minuscule. Ce cheval a été découvert par son frère, au cours d’une expédition qui lui a coûté la vie, dans une vallée réputée maudite. Le professeur Bromley désire se rendre dans la vallée interdite où l’animal a été trouvé. Une nuit, le cheval disparaît. Accompagnée par Tuck Kirby, Teresa part à la recherche des voleurs. Les traces les mènent tout droit vers la vallée perdue où ils vont être confronté à divers animaux préhistoriques…, Suite à la découverte d’un cheval minuscule, une expédition se lance dans l’exploration d’une vallée inconnue appelée la vallée de Gwangi. Les explorateurs vont rapidement se retrouver face à des monstres préhistoriques…, Une vallée mexicaine serait hantée par des animaux préhistoriques !… Tuck Kirby retrouve dans une petite ville mexicaine l’amazone T. J. Breckenridge, son amie et ex-associée qui connaît pour l’heure quelques ennuis financiers avec le cirque dont elle est propriétaire… Alors qu’il la presse de vendre, la jeune femme lui annonce qu’elle préfère patienter, car elle va bientôt pouvoir présenter une nouvelle attraction, un cheval miniature découvert dans une vallée maudite, où vivraient des animaux préhistoriques…, Quelque part au Mexique, Tuck Kirby se demande comment il va payer la troupe de son cirque jusqu’à ce qu’un bohémien lui amène un cheval miniature que le paléontologue Bromley assure être préhistorique. La troupe du cirque débusque alors une vallée où vivent préservés des spécimens de dinosaures qui assureront la réussite de leur spectacle.