1930. L’université Miskatonic du Massachusetts, avec le financement de la fondation Nathaniel Derby Pickman, organise une expédition pour atteindre le cercle polaire antarctique. Quatre professeurs spécialisé dans divers domaines (biologie, physique, météorologie...), leurs assistants - seize étudiants diplômés et habiles mécaniciens - et cinquante cinq chiens composent l'équipe qui embarque avec du matériel de forage et des avions à bord de deux baleiniers. L'expédition Miskatonic quitte Boston le 2 septembre et fait route jusqu'à Hobart, en Tasmanie, en passant par le Canal de Panama. Le 25 octobre, les hommes atteignent la chaîne de l'Amirauté puis établissent leur base aux pentes du volcan Erebus.

En janvier 1931, après la découverte de spécimens géologique inconnus, le professeur Lake décide d'explorer les terres au nord-ouest pour effectuer de nouveaux forages et minages. L'équipe découvre une nouvelle chaîne de montagnes, aussi vaste que l’Himalaya. Les plus haut sommets présentent des formations étranges en forme de cubes et des entrées de cavernes. Lake et ses hommes établissent le camp avancé sur un plateau et commencent les premiers forages. Après avoir creusé dans les profondeurs d’une grotte souterraine, le groupe trouve les restes de créatures mi-végétales, mi-animales, complètement inconnues de la science. Six des spécimens semblent en très mauvais état, huit autres étant étonnamment préservés. La grande ancienneté de la strate géologique dans laquelle ces « fossiles » ont été trouvés posent problème du fait de leur stade d’évolution particulièrement avancé. En raison de leur ressemblance avec les créatures mythiques du Necronomicon d'Abdul al-Hazred, les créatures sont nommées "les Anciens". Le Professeur Lake se prépare à une autopsie malgré une violente tempête.

Le camp principal perd contact avec le groupe de Lake. Le professeur Dyer décide de monter une expédition de secours, avec les hommes restants, sur ces mystérieux contreforts enneigés. Ils trouvent le camp dévasté et les hommes déchiquetés; à l’exception d’un homme et d’un chien mystérieusement disparus. Près du camp, ils trouvent six monticules de neige en forme d’étoiles, chacun contenant l’une des créatures. Les scientifiques soupçonnent Gedney, le disparu, d'avoir eu un accès de démence au point de massacrer ses collègues et de s'être enfui avec le dernier chien et un traineau.

Dyer et un étudiant, Danforth, décident alors d'explorer les montagnes à bord de l'un des avions. Ils découvrent une immense cité de pierre abandonnée, composée de cubes et de cônes selon une architecture qui n’a rien d’humaine. En explorant l’un de ces cônes, Dyer parvint à retracer l’histoire des "Anciens" en interprétant leurs fantastiques gravures murales hiéroglyphiques : les Anciens vinrent sur Terre pour la première fois peu après sa séparation avec la Lune, et y introduisirent la vie. Ils bâtirent leurs cités avec l’aide des « Shoggoths », des êtres créés pour accomplir n’importe quelle tâche, prendre n’importe quelle forme et refléter n’importe quelle pensée. Danforth et Dyer réalisent que les huit Anciens trouvés dans la grotte par Lake étaient encore vivants. Les deux hommes trouvent le traineau avec à bord les corps de Gedney et du chien, de toute évidence gardés comme spécimens pour des expérimentations abominables.

Danforth et Dyer finissent par trouver des traces de la mort des Anciens, juste avant de devoir s’enfuir vers leur avion, pourchassés par une horreur hululante qu’ils identifient comme l'un des Shoggoths. Alors qu’ils décollent pour s'éloigner des montagnes hallucinées, Danforth jete un œil en arrière et voit quelque chose qui lui fait perdre instantanément l’esprit, et qu’il refuse depuis de décrire. Le professeur Dyer en conclut que les Anciens et leur civilisation ont été détruits par les Shoggoths qu’ils avaient eux-mêmes créés. L'expédition Miskatonic revient à Boston sur un constat d'échec.

Le professeur Dyer termine son mémoire en suppliant l'expédition Starkweather- Moore de renoncer à son projet de s'embarquer à destination des montagnes hallucinées, de peur de choses anciennes qui ne devraient pas être relâchées sur cette Terre...