Na cena de abertura, General Thaddeus "Thunderbolt" Ross (William Hurt) planeja reativar um projeto ultrassecreto conhecido como "Supersoldado" para ajudar as Forças Armadas dos Estados Unidos que sofre de um pós-atentado. Ele conhece o brilhante Dr. Bruce Banner (Edward Norton), o colega e namorado de sua filha Dra. Elizabeth "Betty" Ross (Liv Tyler) e contratam ambos, mentindo para os dois desenvolverem um soro de defesa e fortalecimento celular para principalmente proteger os soldados da radiação. No entanto, o soro é aprimorado e desenvolvido com uma arma biológica e Banner sem conhecimento o testa em si mesmo, se expondo a altos níveis de radiação gama. O experimento dá errado e ele se transforma em um humanóide gigante, poderoso e de personalidade agressiva conhecido como Hulk (na voz de Lou Ferrigno). Como Hulk, ele destrói o laboratório e acabando ferindo Betty. Os efeitos colaterais ficam armazenados em suas células, reaparecendo após momentos de estresse e alta tensão. Na sequência, os dados do experimento são apagados por precaução e o projeto é desativado. O General conta a verdade sobre o projeto e avisa a Banner que ele quer tomar de volta o que está dentro dele. Banner escapa das Forças Armadas, vivendo como um fugitivo.
Cinco anos depois, Banner trabalha em uma fábrica de engarrafamentos na Rocinha, Rio de Janeiro, enquanto procura uma cura para sua condição. Na Internet, ele tem a colaboração de um colega cientista que ele conhece apenas como "Senhor Azul". Ele também aprende técnicas de meditação de um especialista em artes marciais (Rickson Gracie) para ajudar a manter o controle emocional, sendo que ele não causava nenhum incidente como Hulk em 158 dias. Depois de Banner cortar o dedo na fábrica, uma gota de seu sangue irradiado cai em uma garrafa, e é consumido por um homem (Stan Lee) de Milwaukee, Wisconsin, causando problemas médicos por ingestão radioativa. Usando os vestígios do engarrafamento para localizar Banner, Ross manda uma equipe especial liderada pelo capitão da Royal Marines, Emil Blonsky (Tim Roth) para capturá-lo. Banner transforma no Hulk e derrota a equipe de Blonsky. Depois de Ross explicar como Banner se transformou no Hulk, Blonsky concorda em ser injetado com uma pequena dose de um soro desenvolvido como parte da mesma operação, que lhe concede velocidade, força, agilidade e regeneração aprimorada, mas depois de um tempo começa a deformar seu esqueleto.
Banner retorna para a Universidade Culver em Virginia, local onde ele se transformou no Hulk pela primeira vez, e reencontra Betty, que está namorando o psicanalista Leonard Samson (Ty Burrell). Banner é atacado por Ross e a equipe de Blonsky, acionados por Samson que tinha medo de algo de ruim acontecer com Betty. Hulk consegue combater o exército e escapa a filha do General, que havia se ferido acidentalmente no meio da batalha. Depois de Hulk se transformar em Banner, o General foca na busca pelos dois. Banner faz contato com o Senhor Azul, que pede para eles se encontrarem na Cidade de Nova York. Lá, ele revela ser o biólogo celular Dr. Samuel Sterns (Tim Blake Nelson), avisando Banner ter encontrado um possível antídoto para sua condição. Conforme um teste sucessivo e um alerta a Banner de que o antídoto talvez poderia apenas reverter uma única transformação, Sterns revela que sintetizou amostras de sangue de Bruce que ele havia enviado do Brasil e transformou aquilo em um grande suprimento, com a intenção de usar o "potencial ilimitado" para a medicina. Amedrontado de que o poder pudesse cair nas mãos dos militares, Banner tenta convencer Sterns de destruir o suprimento. A Força Tarefa de Ross invade o local e leva Bruce e Betty em custódia.
Blonsky força Sterns a injetar o sangue de Banner para obter o poder do Hulk. Sterns adverte que a combinação da fórmula do Supersoldado com o sangue de Banner poderia transformá-lo em algo "abominável". Despreocupado, Blonsky ordena Sterns para administrar o processo e expô-lo com um aparelho de radiação gama. O experimento dá errado e Blonsky se torna um monstro de força superior a do Hulk. O Abominável ataca Sterns e o vidro com o sangue de Banner quebra, gotejando sobre um corte na cabeça causado no intanste, provocando uma mutação. O Abominável causa um tumulto no Harlem para tentar organizar uma luta com o Hulk.
Percebendo que é o único que pode pará-lo, Banner convence Ross a tirá-lo da custódia. Ele salta do helicóptero e se transforma ao colidir com o asfalto. Depois de um longa e brutal batalha no Harlem, Hulk derrota o Abominável estrangulando-o com uma corrente, cedendo apenas após o pedido de Betty para poupá-lo. Tendo um pequeno e pacífico momento com Betty, o Hulk escapa novamente. Trinta e um dias depois, Banner está escondido nas florestas da Columbia Britânica, Canadá. Ao invés de curar-se do Hulk, ela está tentado controlá-lo. Quando os olhos deles ficam verdes, um sorriso aparece em seu rosto.