O ano é 1939. O local é a Polônia, terra natal de Antonina Zabinski (Jessica Chastain) e de seu marido, Dr. Jan Zabinski (Johan Heldenbergh). O Zoológico de Varsóvia prospera sob a administração de Jan e os cuidados de Antonina. Quando seu país é invadido pelos nazistas, Jan e Antonina são forçados a se reportar ao novo chefe do zoológico indicado pelo Reich, Lutz Heck (Daniel Brühl).