Cette série met en scène une délégation de scientifiques et de militaires partis explorer la cité mythique d'Atlantis, située dans la galaxie de Pégase, et découverte grâce à un avant-poste extra-terrestre situé sur Terre (en Antarctique).
Daniel Jackson (qui apparaît dans le premier épisode) découvre l'adresse complète à 8 symboles de la porte des étoiles de la cité d'Atlantis. Pour activer cette porte qui se trouve dans la galaxie de Pégase, une très puissante source d'énergie est nécessaire. Le général O'Neill (qui apparaît aussi dans le premier épisode et dans des épisodes de la 3 saison) accepte d'utiliser l'unique E2PZ (Extracteur de Potentiel du Point Zéro, « ZPM » en Anglais) en possession des Terriens afin d'avoir la puissance nécessaire pour activer la porte vers Atlantis.
Une équipe internationale de chercheurs et militaires est constituée et envoyée au travers de la porte afin d'établir un nouvel avant-poste. Tous savent qu'il n'y aura pas de voyage retour possible s’ils ne trouvent pas la source d'énergie nécessaire afin d'activer la porte dans l'autre sens.
La galaxie de Pégase possède un autre réseau de portes des étoiles (d'aspect différent des portes de notre galaxie) qui a aussi été construit par les Anciens, mais seule la porte d'Atlantis a la capacité d'établir une connexion vers la Terre. Au cours de leur première visite d'une planète, grâce au nouveau réseau de portes de la galaxie de Pégase, l'équipe d'Atlantis découvre un nouvel ennemi appartenant à une race d'extraterrestres appelés Wraith. Ce nouvel ennemi semble bien plus redoutable que ne l'étaient les Goa'uld...
De nouvelles équipes s'organisent et explorent la galaxie de Pégase. L'équipe principale est constituée du major, puis lieutenant-colonel John Sheppard, militaire américain, du Docteur Rodney McKay, astrophysicien canadien, de Teyla Emmagan, native de Pégase, du lieutenant Aiden Ford dans la 1 saison et de Ronon Dex, également natif de Pégase, dès la seconde. Les autres principaux personnages de la cité sont le Docteur Elisabeth Weir (jusqu'à la 3 saison), chef et responsable d'Atlantis (elle a dirigé un temps le SGC dans la 7 et 8 saison de Stargate SG-1), Radek Zelenka, "second" cerveau après McKay, mais aussi le Docteur Carson Beckett (jusqu'à l'épisode 17 de la 3 saison), responsable de l'infirmerie. À partir de la 4 saison, la cité est dirigée par Samantha Carter. Lors de la 5 saison, Richard Woolsey devient le nouveau chef de l'expédition, en raison de la non-disponibilité de Amanda Tapping (Col Samantha Carter) qui joue dans la Web-série Sanctuary.
Fidèle à SG-1, cette série est également le théâtre de nombreuses pinces sans rire. Ainsi, Rodney est considéré comme le "cerveau" de l'équipe, particulièrement efficace en cas de situation désespérée. On peut ajouter à son palmarès la destruction involontaire de nombreuses planètes (rappelée fréquemment par Sheppard), due aux fausses manipulations des objets créés par les Anciens. Rodney considère Ronon et Teyla comme étant respectivement Conan le barbare et Xena, la guerrière.
Les épisodes tournent autour des grands thèmes classiques de SG-1 : la découverte de nouveaux mondes, l'établissement de relations amicales, l'échange de technologies, mais également de nouveaux thèmes propres à la série comme la recherche de technologies appartenant aux Anciens (beaucoup plus fructueuses dans la galaxie de Pégase) ou encore les escarmouches contre les Wraiths ou contre les Geniis.
