Dans l'océan Indien à la fin des années 1980, durant les dernières années de la guerre froide. Au cours d'une patrouille aérienne de routine, deux chasseurs F-14 Tomcat de l'US Navy embarqués sur le porte-avions USS Enterprise rencontrent deux chasseurs MiG-28 soviétiques, au comportement hostile. Les pilotes américains parviennent à mettre les avions soviétiques en fuite mais le leader de la formation, Bill « Cougar » Cortell, se retrouve en état de choc à la suite de l'accrochage. Le pilote de l'autre appareil américain, Pete « Mavericka » Mitchell — un aviateur avec un tempérament de « chien fou », peu apprécié de sa hiérarchie et marqué par la disparition en vol de son pèreb, le 5 novembre 1965, lors de la guerre du Viêt Nam — retourne alors chercher Cougar, malgré les ordres reçus et le manque de kérosène de son avion, et l'aide à se poser sur le porte-avions.
Choqué à la suite de l'incident, Cougar renonce au pilotage. Le commandant du groupe aérien embarqué, qui avait prévu d'envoyer Cougar à l'United States Navy Fighter Weapons School (surnommée « Top Gun »), l'école d'aviation pour l'élite de l'aéronavale américaine, se voit contraint d'affecter à sa place Maverick et son navigateur Nick « Goose » Bradshaw, afin qu'ils y perfectionnent leur technique en combat aérien.
Intégrant la Fighter Town de Miramar, les deux compères se retrouvent rapidement en compétition face au duo composé de Tom « Iceman » Kazanski et son navigateur, Ron « Slider » Kerner pour la première place au classement de Top Gun. Les stagiaires sont entraînés par certains des meilleurs instructeurs au monde, notamment les commandants Heatherly « Jester »c et Metcalf « Viper » — ce dernier ayant volé avec le père de Maverick au Vietnam —. Peu après, le jeune Maverick s'amourache d'un des instructeurs, l'astrophysicienne Charlotte « Charlie » Blackwood. Cette dernière est au départ plus intéressée par la mission de Maverick avec le MiGd (afin de faire avancer sa carrière) que par les sentiments que l'aviateur lui montre. Mais Charlie finit tout de même par tomber sous le charme de Maverick, cédant à sa fougue aux commandes d'un avion comme dans la vie.
Au fur et à mesure de l'avancée de leur instruction qui doit durer cinq semaines, la tension monte entre les deux équipages vedettes, jusqu'à l'accident fatal. Lors de cette mission, le souffle du réacteur du jet d'Iceman provoque une turbulence de sillage et l'extinction coup sur coup des réacteurs de l'avion de Maverick, suivi d'une vrille à plat incontrôlable. L'équipage parvient à s'éjecter mais Goose perd la vie en percutant la verrière. Bien qu'il ait été reconnu innocent par une commission d'enquête, Maverick perd alors toute confiance en lui et décide de tout plaquer, en dépit du soutien et des encouragements de Charlie. Cette dernière lui fait part de sa déception sans ménagement et part à Washington pour une nouvelle fonction. Seul le commandant de la base, Viper, lui apporte du réconfort en révélant à Maverick les secrets de la disparition de son père. L'aviateur retrouve la motivation pour terminer son stage à Top Gun, qui couronne Iceman meilleur pilote de sa promotion. Maverick accepte son échec et le félicite.
Après la cérémonie de remise des diplômes, les aviateurs sont renvoyés en mission. Affectés de nouveau sur l'USS Enterprise, les pilotes sont chargés de porter secours à un navire de liaison, l'USS Layton, en perdition dans les eaux territoriales ennemies de l'océan Indien. Les équipages Iceman/Slider et Hollywood/Wolfman décollent vers le lieu du sauvetage ; Maverick, qui fait désormais équipe avec Sam « Merlin » Wells, l'ancien navigateur de Cougar, est quant à lui placé en alerte sur le pont d'envol du porte-avions. Mais, durant la mission, le F-14 de Hollywood et Wolfman est abattu par des avions soviétiques, arrivés sur la zone et ayant engagé les avions américains en combat aérien. Les deux aviateurs s'éjectent ; Maverick est peu après envoyé en renfort.
À peine arrivé dans la bataille, Maverick est coiffé par un MiG et décroche, à la suite d'une nouvelle vrille à plat due au souffle du réacteur de l'avion adverse. Il réussit cette fois à maîtriser la vrille, mais perd confiance et se retire de la mêlée. Cependant, grâce aux encouragements prodigués par Merlin et lorsqu'il évoque en pensée son ancien équipier Goose dont il a gardé la plaque d'identité, Maverick reprend courage et réengage le combat. Les catapultes de l’Enterprise étant momentanément hors service, les deux F-14 sont forcés de se battre à deux contre six. Mais, appliquant les méthodes acquises à Top Gun et grâce au talent qui lui est propre, Maverick réussit à abattre trois avions ennemis successivement, tandis qu'Iceman se défait d'un quatrième adversaire, forçant les deux derniers avions soviétiques à abandonner le combat.
À leur retour sur le porte-avions, les aviateurs sont fêtés en héros par l'équipage et Maverick et Iceman se réconcilient. Plus tard, le commandant du groupe aérien embarqué propose à Maverick la mutation de son choix. Fort logiquement, ce dernier choisit de devenir instructeur à Top Gun. Sur place, il y retrouve Charlie, avec qui son histoire semble repartir.