Un homme affrontera son destin, un héros sera révélé.

Lorsqu'une expérience de fusion nucléaire ratée provoque une explosion qui tue sa femme, le Dr Otto Octavius (Alfred Molina) est transformé en Dr Octopus, un cyborg doté de tentacules métalliques mortels. Doc Ock accuse Spider-Man (Tobey Maguire) d'être responsable de l'accident et cherche à se venger. Pendant ce temps, Peter Parker, l'alter ego de Spider-Man, voit ses pouvoirs s'estomper et doute de lui-même. La haine de son meilleur ami (James Franco) pour Spider-Man et les fiançailles soudaines de son grand amour (Kirsten Dunst) avec un autre homme viennent compliquer les choses.