La storia è ambientata in piena seconda guerra mondiale. Jane si è recata a Londra per far visita alla sua famiglia, ma, dopo un bombardamento tedesco, ha deciso di restare in città per aiutare, come infermiera, i medici di un ospedale. Avendo necessità di medicine per alleviare la febbre dei malati, scrive a Tarzan affinchè le procuri il succo di una rarissima pianta reperibile soltanto in Africa. Tarzan, ricevuto il messaggio per "posta aerea", s'inoltra nel deserto che si estende ai margini della giungla, insieme al figlio "Piccolo" e alla fedele scimmia Cita, per raggiungere una valle inesplorata dove crescono i misteriosi frutti curativi. Durante il lungo viaggio, i tre si imbattono in Connie Bryce, un'agente americana che, viaggiando in incognito come interprete di uno spettacolo itinerante di vaudeville, cerca di proteggere uno sceicco dalle mire di un usurpatore al soldo dei nazisti. Nella movimentata avventura, Tarzan rischia di essere scambiato per ladro di cavalli, ma sventato, infine, il complotto, riprende la sua missione. Ma i pericoli non sono finiti: prima di procurarsi i miracolosi frutti, egli deve combattere contro mostri antidiluviani e ragni giganti, sopravvissuti all'età preistorica, che popolano la misteriosa valle. I più fedeli fans del Tarzan cinematografico accolsero con un certo imbarazzo il film (l'ottavo interpretato da Johnny Weissmuller) sottolineando la stravagante ambientazione nell'immaginario deserto, l'assenza di Jane e, soprattutto, il bizzarro accostamento dell'esotica avventura di spionaggio con quella estrapolata (senza ragione apparente) dal filone del monster-movie. Le due storie appaiono, in effetti, prive di connessione interna e c'è da pensare che il film sia nato da un progetto iniziale diverso che ha subito frettolose modificazioni in fase di realizzazione sotto la spinta di quella facile propaganda bellica che in quegli anni richiedeva anche ai più popolari eroi dello schermo di contribuire alla causa dell'America in guerra. Con il tempo, e considerando lo standard delle avventure di Tarzan, il giudizio si è fatto più clemente e la critica ha riscoperto nel film, oltre al buon cast, momenti divertenti e una leggera ironia che lo rendono piacevole. Le sequenze finali nella valle dei mostri riutilizzano, in parte, spezzoni tratti da quella (per quei tempi) vera miniera di effetti speciali e fotografici che è Sul sentiero dei mostri del 1940.