Im Jahr 1965 läuft der tschechische Wissenschaftler Dr. Beneš in den Westen über. Während der Aktion wird ein Anschlag auf Beneš verübt. Dem verletzten Wissenschaftler kann das tödliche Blutgerinnsel, das sich in seinem Gehirn gebildet hat, nicht auf konventionelle Weise entfernt werden.
Durch eine neuartige Entwicklung, die es erlaubt, Maschinen und sogar Menschen bis auf Mikrobengröße zu verkleinern, bietet sich jedoch die Möglichkeit, das Blutgerinnsel von innen zu entfernen. Ein spezielles U-Boot wird samt Besatzung so verkleinert, dass man es mit einer Injektionsnadel in die Blutbahn des Patienten einbringen kann. An Bord befinden sich die beiden Mediziner Dr. Michaels und Dr. Duval, Duvals Assistentin Cora Peterson, Captain Bill Owens als Pilot, sowie Agent Grant. Dieser soll verhindern, dass der vermeintlich für die Gegenseite arbeitende Dr. Duval während der Operation einen Anschlag auf Beneš durchführt.
Die Operation muss innerhalb von 60 Minuten durchgeführt werden und Mensch und Maschine müssen sich nach Ablauf der Zeit außerhalb des Körpers befinden, da sich nach einer Stunde sowohl die Besatzung als auch das Boot automatisch wieder vergrößern. Dadurch würden sie von den Antikörpern Beneš’ angegriffen und vernichtet werden.
Die Besatzung erlebt eine phantastische Reise durch das Innere des menschlichen Körpers. Bei der Fahrt durch die Blutbahnen kommt es zu einigen gefährlichen Situationen. Eine Fistel in einer Arterie behindert das Weiterkommen und erzwingt einen Umweg durch das Herz. Durch einen möglichen Sabotageakt wird das Lasergewehr, mit dem der Thrombus entfernt werden soll, beschädigt, kann aber wieder notdürftig repariert werden. Das Boot wird von Antikörpern angegriffen, und als man sich schließlich im Innenohr befindet, wirkt eine im Operationssaal versehentlich fallen gelassene Schere für die miniaturisierten Menschen wie ein Erdbeben. Durch ein Leck verliert das Boot Sauerstoff. Um einen Ausgleich zu schaffen, wird aus Beneš’ Lunge Luft abgezapft. Dabei kann Grant, der aufgrund seiner abgerissenen Sicherungsleine in die Lunge abgetrieben wird, sich nur knapp wieder an Bord retten.
Kurz vor Ablauf der 60 Minuten ist die Crew endlich im Gehirn von Beneš angekommen. Da stellt sich heraus, dass Dr. Michaels derjenige ist, der für die Gegenseite arbeitet und offensichtlich die beiden Sabotageakte durchgeführt hat. Nun will er Dr. Duval mit allen Mitteln daran hindern, die Operation durchzuführen. Dieser kann jedoch den Thrombus erfolgreich entfernen. Dr. Michaels entführt das U-Boot und will damit dem Gehirn von Beneš eine tödliche Verletzung zufügen. Dabei wird das U-Boot von Grant mit dem Lasergewehr schwer beschädigt. Inzwischen ist die Zeit abgelaufen. Antikörper fangen an, das U-Boot und die Besatzung anzugreifen. Der im U-Boot eingeklemmte Dr. Michaels fällt ihnen zum Opfer. Die restliche Besatzung jedoch kann über den Sehnerv ins Auge flüchten, wo sie, in einer Träne schwimmend, gerettet werden.
