Jean, un marinier, a épousé Juliette, une fille de paysans de l'Oise. Leur vie va se dérouler, avec des alternances de bonheur et de tristesse, à bord d'une péniche. "L'Atalante", l'équipage se compose d'un mousse et du père Jules, un pittoresque loup de mer vivant dans sa cabine au milieu de ses chats et d'un indescriptible capharnaüm. Juliette, distraite un moment, rêve de Paris. On y arrive enfin. Au bal musette, elle se fait draguer par un camelot, provoquant la jalousie de son mari qui met fin brutalement à l'escale. Juliette s'enfuit mais se retrouve bientôt seule par un hiver rude, au milieu des chômeurs et des crève-la-faim.
Sur "L'Atalante", en route vers Le Havre, c'est la consternation. Jean, qui souffre de l'absence de sa femme, la cherche en vain dans ses rêves, négligeant son travail. Le père Jules décide d'aller à la recherche de la patronne. Il la trouve dans une boutique à disques, écoutant la chanson des mariniers. Il la charge sur ses épaules et la ramène à Jean, qui l'attend. "L'Atalante" reprend sa route, dans un sillage d'argent.
L'Atalante est en rupture totale avec la majeure partie du cinéma français des années trente, cinéma de prose dur et réaliste, parfois cynique, ne tolérant la poésie qu'à dose homéopathique. Fragile et souvent balbutiant, L'Atalante n'est au contraire que poésie, traversée de quelques éclairs surréalistes (la séquence sous-marine). Ses caractéristiques : dédramatisation extrême, refus du psychologisme, accent mis sur des instants privilégiés, sur des détails infimes ou curieux, sur des personnages (le camelot Margaritis) qui peuvent surgir de n'importe où et disparaître comme ils sont venus.