El valle de Gwangi tiene lugar a comienzos del siglo XX, en una pequeña ciudad mexicana, el vaquero Tuck Kirby se reencuentra con su antigua socia y novia, T.J. Breckinridge, propietaria de un circo de espectáculo Wild West que sufre serios problemas financieros. Kirby quiere que ella venda el negocio y se establezca con él en un rancho de Wyoming, pero entonces uno de los empleados, trae un caballo en miniatura que le ha dado su hermano antes de morir. Esa maravillosa y única criatura puede salvar al circo. El paleontólogo inglés de dudosa moralidad Horace Bromley, identifica la criatura como un eohippus y, advierte a los gitanos del lugar del paradero del animal para que lo roben. Cuando llegan al valle, lo encuentran poblado de grandes y peligrosos animales, y todos deberán sobrevivir a la experiencia, mientras Tuck persigue un atrevido plan: capturar un feroz alosauro, para utilizarlo como atracción del circo.
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