Ce qui suit dévoile des moments clés de l’intrigue.
À Los Angeles en 1977, Robert Neville, un ex-médecin militaire, est l'un des rares survivants d'une guerre biologique entre l'Union soviétique et la Chine ayant tué la plupart de la population humaine en raison d'une épidémie mondiale qui a suivi, mais contre laquelle il était immunisé grâce à un vaccin expérimental, le 93-B71, qu'il avait fabriqué et s'était lui-même injecté à titre expérimental.
Subsistent cependant d'étranges êtres déformés qui se nomment eux-mêmes "La Famille" et dont les séquelles de la guerre en ont fait des mutants albinos nocturnes et très sensibles à la lumière. Menés par un chef psychotique, Jonathan Matthias, ils pensent que la science et la technologie sont la source de tous leurs malheurs et doivent être détruites. Vêtus de robes noires, ils n'utilisent que des objets primitifs (torches, arcs, flèches, catapultes...) et tentent d'effacer toute trace de progrès technique. C'est ainsi qu'ils considèrent Neville comme un vestige de cette société honnie et cherchent à le tuer.
À l'inverse, Neville, utilisant toutes les ressources technologiques disponibles, a aménagé un appartement situé au sommet d'un immeuble qu'il a fortifié et tient La Famille en respect grâce à un arsenal d'armes modernes (pistolets et fusils mitrailleurs, charges explosives, etc...).
Il ne sort que le jour afin de s'approvisionner dans les magasins abandonnés de la ville tout en cherchant le repaire de La Famille. La nuit tombée, il illumine son immeuble et les alentours afin de décourager les mutants qui se rassemblent néanmoins tous les soirs sous ses fenêtres en brûlant des livres et autres objets tout en vociférant.
Neville finit toutefois par être capturé et, après un simulacre de procès, est déclaré coupable d'hérésie et condamné à être brûlé. Il échappe cependant de peu à sa sentence grâce à une femme qu'il avait aperçue un peu plus tôt lors de l'une de ses patrouilles. Il découvre alors qu'il existe un autre groupe de survivants, non immunisés contre l'épidémie, mais qui n'ont pas mutés et dont les enfants ont développé une résistance partielle à la maladie, leur permettant de rester à un stade pré-albinos. Le temps joue néanmoins contre eux et ils sont destinés à succomber à terme à l'épidémie, et à ainsi devenir de nouveaux membres de La Famille.
À la demande de ses nouveaux partenaires, Neville accepte d'essayer de recréer le vaccin 93-B71, mais il réalise que même s'il y parvenait, il lui faudrait des années pour sauver l'humanité. En revanche, la solution serait peut-être d'étendre son immunité aux autres en créant un sérum à partir de son sang. Une fois fabriqué, le sérum est injecté à Richie, le petit frère de Lisa, qui est sur le point de devenir lui-même un mutant.
L'expérience réussit et, une fois guéri, Richie part à la rencontre de La Famille pour essayer de les convaincre de prendre le sérum. Mais Matthias refuse de le croire, l'accuse d'avoir été envoyé par Neville pour leur nuire, et le tue.
Pendant que Neville part à la recherche de Richie (dont il finit par découvrir le cadavre), Lisa devient elle-même une mutante et le trahit en permettant aux membres de La Famille d'accéder à son immeuble fortifié. À son retour, Neville doit faire face à Matthias qui le contraint à assister à la destruction de son repaire. Il parvient toutefois à se libérer et, une fois dehors, tire au fusil-mitrailleur sur Matthias qui profite de l'enrayement de l'arme pour lui lancer un javelot qui le blesse mortellement.
Le film se termine sur le départ à bord d'un véhicule d'un certain nombre de survivants munis du sérum que Neville, juste avant de mourir, leur a confié.
