O filme é baseado, em sua maior parte, na história Uma Princesa de Marte, de Edgar Rice Burroughs, que foi serializado em 1912 e publicado como um romance em 1917, mas também com elementos do segundo livro da série Barsoom, The Gods of Mars, ainda não editado em português. O herói John Carter é um veterano confederado da Guerra Civil Americana, que vai dormir em uma caverna depois de ser perseguido por índios apaches e acorda misteriosamente em Marte, chamado pelos seus habitantes de Barsoom. Como a gravidade do planeta é apenas 38% da terrestre, Jonh Carter é mais forte e ágil que os habitantes de Marte. Anteriormente, um mundo parecido com a Terra, tornou-se mais hostil à vida, devido à sua idade avançada: seus oceanos evaporaram e a atmosfera tornou-se rarefeira. O planeta moribundo transformou-se em um mundo seco e de barbárie, com seus habitantes endurecidos e belicosos, lutando entre si pela sobrevivência. Enquanto prisioneiro da horda dos Tharks, uma raça de guerreiros verdes, com quatro braços, três metros de altura e presas, Carter conhece e salva a princesa de Marte, Dejah Thoris de uma raça humanóide de pele avermelhada. A princesa convence John Carter a lutar, com a ajuda dos Tharks, para evitar uma guerra civil que pode levar o planeta à completa extinção.