九层妖塔的故事始于1979年的昆仑山。一具神秘生物的骸骨现世后，胡八一（赵又廷 饰）带领探险队深入昆仑山腹地，试图揭开古生物遗迹背后的秘密。然而，众人一路遭到各种神秘生物袭击，最终意外坠入九层妖塔，除胡八一之外，其他队员的生死从此成谜。
退伍后的胡八一回到北京，与发小王凯旋（冯粒 饰）重逢。此时，神秘人（李晨 饰）和由科考队成员（凤小岳、唐嫣、李光洁 饰）代表的两股力量交错出现，将他再次卷入探寻未知文明的行动。在途中，胡八一遇见Shirley杨（姚晨 饰），这个熟悉的面孔重新唤起了他在探险队中的往事。还未弄清Shirley的真实身份，胡八一、Shirley和王胖子便带领众人辗转王子墓、石油小镇等地，并不断遭受不明生物的猛烈袭击。种种线索再次指向九层妖塔，而等待他们的，是一个尘封千年的未解之谜。
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