W tytułowej Dolinie Bogów krzyżują się trzy wątki narracyjne, które prowokują widza do własnych interpretacji. Pierwszy to archaiczna legenda Indian Navajo o bogach zamkniętych w skałach doliny Valley of the Gods pełna bogatej symboliki i archetypów. Drugi to historia najbogatszego człowieka globu, tajemniczego Wesa Taurosa (John Malkovich), który dotknięty osobistą tragedią, ukrywa się przed światem. Trzeci wątek jest historią narratora, Johna Ecasa (Josh Hartnett), pisarza, który zmaga się z traumatycznym rozstaniem z żoną i twórczym kryzysem. W tym czasie firma Taurosa eksploatująca rudę uranu przejmuje Dolinę Bogów, gdzie planuje drążyć tunele w świętej ziemi. Spokój przodków Navajo zostaje zburzony a skały rodzą mściciela. Widz pozostaje z pytaniami: Jak daleko można posunąć się dla miłości? Jakie tajemnice skrywa mityczna ziemia Navajo?

Amerykańsko-radziecka ekspedycja zostaje wysłana w pobliże Jowisza, aby odkryć przyczynę niepowodzenia misji załogi kosmicznego statku Discovery.

Film dzieli się na trzy epizody, których akcja ma miejsce w różnych okresach historycznych i zakątkach wszechświata.

Akcja rozgrywa się w zakładzie psychiatrycznym dla młodzieży. Siedemnastoletni Dawid (Keir Dullea), przystojny, inteligentny, bogaty boi się tylko dotyku. Uważa, że dotknięcie innej osoby zabije go. Piętnastoletnia Liza (Janet Margolin) jest schizofreniczką, cierpi na rozdwojenie jaźni, z trudem porozumiewa się z otoczeniem, mówi tylko naprędce rymowanymi wierszami. Dawid nabiera stopniowo zaufania do umiejętnie nań wpływającego psychoterapeuty i znajduje wytłumaczenie swych urazów. Znajduje również "klucz" do porozumienia się z Lizą...