La historia de la serie parte del final de la séptima temporada y el inicio de la octava de Stargate SG-1. Un grupo de científicos, entre los que se encuentran el Dr. Daniel Jackson, la Doctora Elizabeth Weir y el Dr. Rodney McKay, están estudiando el puesto avanzado de los Antiguos que O'Neill descubrió al final de la séptima temporada. El Dr. Jackson consigue averiguar qué pasó con Atlantis: los Antiguos se la llevaron a otra galaxia, Pegaso, y tiene la dirección a donde fueron. El problema es que abrir el Stargate a otra galaxia gasta mucha energía, por lo que es posible que sea un viaje sin retorno. Sin embargo, una expedición científico-militar, la Expedición Atlantis, capitaneada por la propia Weir, decide embarcarse en la aventura y parte hacia la ciudad Perdida de los Antiguos, Atlantis. Una vez allí, se encontrarán con un enemigo mucho peor que los Goaul'd; los Wraith (Espectros), una raza que se alimenta de la energía vital de los seres humanos y que, 10.000 años atrás, obligaron a los Antiguos a abandonar Pegaso y volver a la Tierra.

La Expedición Atlantis está encabezada por la doctora Elizabeth Weir, una especialista en relaciones diplomáticas cuyas habilidades políticas tienen que convivir con el fuerte carácter del jefe militar de la expedición, John Sheppard, un experimentado y valeroso piloto al que no le gusta demasiado la autoridad. Junto a ellos, el teniente Aiden Ford, un joven y entusiasta oficial que se convierte en la mano derecha de Sheppard, y el doctor Rodney Mckay, un inteligente astrofísico con amplia experiencia en misiones Stargate. Además, el equipo cuenta con la colaboración de una nativa de la galaxia Pegaso, la Athosiana Teyla, la joven líder de una comunidad primitiva con la que la expedición Atlantis se alía para combatir a los Wraith y con la ayuda de Ronon, uno de los supervivientes de una ciudad destruida por los Wraith, al que sigue por tener informacion sobre Ford en un planeta.