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A la fin du XIXe siècle, John Carter, vétéran de la cavalerie sudiste, explore les montagnes à la recherche d'or. Pour éviter d'être enrôlé de force dans l'armée américaine, il s'enfuit et, bientôt poursuivi par les Indiens, se réfugie dans une grotte. Là, il est soudainement transporté sur la planète Barsoom. Perdu dans ce monde qui lui est inconnu, Carter est capturé par les Tharks, une tribu extraterrestre, êtres gigantesques dotés de quatre bras. Prisonnier de ces brutes, le Terrien gagne leur respect en intervenant dans un combat opposant les vaisseaux des deux grandes cités de Barsoom, Hélium et Zodanga. Il découvre à cette occasion qu'il existe des Martiens rouges, semblables aux Terriens, et rencontre la princesse Dejah Thoris...