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.