Lyra Belacqua (Dakota Blue Richards) est une fillette espiègle, élevée tant bien que mal au milieu des Érudits du prestigieux Jordan College d'Oxford. L'histoire commence lorsqu'elle parvient à empêcher l'empoisonnement de son effrayant et puissant oncle, Lord Asriel (Daniel Craig), et qu'elle assiste ensuite secrètement à un exposé plein de mystères sur le Grand Nord, qu'il donnera aux Érudits.
Bientôt, partout dans la région, des enfants commencent à disparaître. Lorsque son meilleur ami, Roger (Ben Walker) est lui aussi victime de ces mystérieux "Enfourneurs", Lyra et son dæmon Pantalaimon décident d'agir. Elle suivra l'envoûtante et mystérieuse Marisa Coulter (Nicole Kidman), qui lui a promis de l'emmener avec elle dans l'exaltant Grand Nord, après avoir reçu, des mains du Maître de Jordan College, cette étrange boussole indéchiffrable appelée « aléthiomètre ». Mais lorsque la fillette découvre que les ambitions de cette femme sont bien différentes, elle s'enfuit. Elle sera recueillie par les Gitans, menés par le fier Lord Faa (Jim Carter), et hébergée par la vigoureuse Ma Costa (Clare Higgins). Ces derniers se dirigent eux aussi vers le Grand Nord, afin de délivrer leurs enfants enlevés, emprisonnés là-bas, pour servir à d'obscures et inquiétantes expériences.
Dans le Grand Nord, elle fera la connaissance d'étranges et stupéfiants personnages et peuplades. Les Sorcières, comme Serafina Pekkala (Eva Green), un aéronaute (Sam Elliott), ou ces effrayants Panserbjørnes, ours en armure, tel le farouche Iorek Byrnison, auquel Lyra s'attachera rapidement. Au terme de multiples péripéties et dangers, ce qu'elle découvrira aura de quoi tour à tour la mortifier, la terrifier, la révolter, mais aussi l'enivrer et l'enthousiasmer. Et finalement la pousser à vivre ses désirs d'aventure et d'exploration, et à se diriger, lentement mais sûrement, à travers le premier opus de cette trilogie, vers le Destin auquel elle est vouée.