《楼兰古卷之沙海魔窟》将故事带回上个世纪初。楼兰古城遗迹现世后，世界各地的探险家纷纷涌入，觊觎其中珍贵文物，国外盗宝集团更对古迹展开大肆盗掘。一直致力于保护遗址、阻止国宝流失的探险家陈霄，也因此成了众多盗匪的眼中钉。
一次躲避追杀的过程中，陈霄意外闯入一片从未有人涉足的神秘区域，并发现这里正是传说中的“蜃楼城”。为了守护这座神秘古城及其宝藏，他召集了持有羊皮古卷的娜扎和野外求生专家泥鳅，曾经并肩作战的三人再次组成黄金搭档，踏上保护国宝的冒险之旅。
与此同时，跨国大盗光谷大超也获悉了“蜃楼城”的存在，并迅速集结人手，企图进入古墓盗取宝藏。盗宝团与守宝团正面相遇，双方展开激烈交锋。随着缠斗深入，古墓隐藏的秘密逐渐揭开，而在通往宝藏的路上，刀山火海、剧毒陷阱接踵而至。众人历经九死一生闯过重重机关后，还要面对潜伏在古墓深处的巨大怪虫。面对接连而来的惊天危机，陈霄等人能否突破险局、守住国宝，答案还要等影片揭晓。
