前聯合國調查員傑瑞·藍恩（Gerry Lane）帶着妻子凱倫和兩個女兒在費城市區公路上行車時，首先注意到多架直升機從空中飛過，電臺新聞上一直在談論狂犬病。這時，公路前方發生爆炸，連路上執勤的警察都當場被失控的垃圾車撞死，傑瑞本想離開公路卻與一輛失控的救護車相撞，一家人回過神來後立即棄車逃跑。城市廣場上出現幾百名瘋狂咬人的殭屍，傑瑞還目睹一名被殭屍咬到的男子，在短短12秒之內也變成一隻殭屍，一家人最後搶一輛露營車逃離城市。逃出費城不久，傑瑞的好友、聯合國副祕書長泰瑞·烏穆託尼致電他說紐約也發生同樣的狀況，說自己這次急需要他的幫助而會盡全力營救他們。當一家人到達紐澤西州紐華克的超市拿取必需品時，由於再次失去車而躲進不遠處的一座公寓樓，並被一個墨裔家庭收留度過一晚。

等到凌晨時，泰瑞派遣一架美軍直升機去救他們，墨裔家庭拒絕跟傑瑞一家一起走，傑瑞一家只好全速往樓頂上跑。這時，墨裔家庭剛好被殭屍圍剿，家中小男孩湯瑪斯僥倖逃生後趕上傑瑞一家，最後和他們一起坐直升機逃離城市，到達位於大西洋的聯合國航母安格斯號，傑瑞將家人安頓好後，從泰瑞口中得知政府已經瓦解，倖存者只能靠空中和海上運輸工具來避難。艦船指揮官說服傑瑞協助一個哈佛大學病毒學家法斯貝博士，去病毒的其中一個爆發點韓國調查病毒來源，傑瑞爲了保護家人而勉強接受，也在隔天跟隨一個小隊出發前往駐韓美軍基地韓福瑞營。

衆人抵達韓國後，剛下飛機就受到殭屍羣體襲擊，法斯貝博士由於驚慌失措而不慎槍走火而喪生，衆人在無法應對之下被史匹克上尉領導的漢弗萊營駐軍搭救。由於病毒學家身亡，傑瑞只好靠自己來調查，進入基地裏最早爆發病毒的病房卻沒得出什麼結論，併到由於私運武器至北韓而遭囚禁的前中情局探員，從他口中得知以色列耶路撒冷早在病毒爆發前做好強大的防範措施，關鍵人物是摩薩德的尤爾根·汪布朗。傑瑞因此決定前往耶路撒冷尋找更多答案，但在離開基地前往飛機時再度受到殭屍襲擊，史匹克不慎被咬後選擇開槍自盡，但也讓傑瑞也成功搭上飛機撤退。途中，傑瑞親眼目睹在雲層之下的巴基斯坦小型核戰，抵達耶路撒冷後會見汪布朗。

汪布朗表示以色列在幾個月前攔截到印度某位政治人物的簡訊，顯示他們在對抗「羅剎」（印度神話中的惡魔，類似會活動的死人，類似殭屍），才讓以色列國防軍立刻趕工將耶路撒冷哭牆強化成巨大高牆防住外圍的殭屍，順便將未感染的倖存者接到高牆內部的安全地帶。但這時，由於一羣宗教人士高唱宗教歌曲慶祝，不慎將牆外的殭屍全部吸引過來，開始用「疊羅漢」的方式越過高牆。市民們慌亂逃離時，汪布朗也搭車撤離，傑瑞逃跑過程中目睹排山倒海的殭屍羣體無視一位站在路中央的老人或是一位瘦小乾枯的小孩，任其倖免於難。由於傑瑞的軍用運輸機早已溜之大吉，傑瑞只好搭上一架撤離用的白俄羅斯客機，途中一位以色列女兵賽根手被咬傷、傑瑞當機立斷將她斬手製止感染，並帶她及時起飛離開以色列。

殭屍攻勢中一些倖存者的景象讓傑瑞萌發一個理論，於是用電話讓機組人員尋找並降落在最近的疾控中心。然而，一隻藏匿於飛機行李艙中的殭屍跑入機艙攻擊，讓大部分乘客開始轉變成殭屍，傑瑞與賽根在走投無路之下用手榴彈將機艙炸燬，雖然讓所有殭屍都被吸出去，但同時破壞飛機渦輪而墜毀在目的地附近。唯獨在空難裏倖存的傑瑞和賽根扶持着對方來到英國威爾斯的疾控中心，裏面的研究員等官方靠電話得知傑瑞的身份，泰瑞告知傑瑞的家人已經被送往加拿大新斯科舍的安全區。傑瑞訴說他所看到的不尋常景象，可能證明殭屍咬人是在尋找適合的宿主藉以傳染病毒，因此完全不會攻擊那些患有絕症或其他重大病症的人們。在座研究員們也認爲只要採取這種僞裝法研發出正確病毒疫苗，就能讓倖存者在殭屍面前猶如隱形一般。

由於該中心存放所有實驗藥劑的B棟已經被幾十只殭屍佔據，傑瑞只好在賽根和一名研究員帶路之下深入虎穴。三人到達存放庫時被殭屍發現，賽根被迫開槍而轉眼間引來全速殭屍，傑瑞冒險將殭屍都引到自己的路線，但賽根和研究員無法靠近存放庫而被迫跑回A棟躲避。傑瑞獨自來到存放庫，雖然拿到所有配方藥劑，但一隻殭屍剛好守在門口。無計可施之下，傑瑞決定拿自己做人體實驗，希望在監視器另一頭的衆人能幫他跟他家人告別以防不測。注射正確病毒等待一會後，門口的殭屍瞬間無視傑瑞，得以讓傑瑞慢慢走回A棟。傑瑞打完解藥後跟賽根離開中心，達成使命的他來到新斯科舍與妻小們團圓。所有研究員立即趕工研發出這種僞裝型疫苗，讓全世界軍方等倖存者全數獲得向殭屍反擊的機會，正式發動「殭屍世界大戰」。