Um avião de carga deve ser enviado à Mongólia para resgatar um grupo de perfuradores norte-americanos que trabalhava numa exploração petrolífera que foi suspensa. A aeronave parte com o piloto Frank Towns (Dennis Quaid) e o co-piloto AJ na tripulação. Ao chegar no local, a dupla encontra os exploradores e embarca de volta, mas uma forte tempestade de areia muda todo o curso da viagem.

Sem visibilidade devido à forte ventania e com uma pane geral no motor esquerdo, o piloto é obrigado a fazer um pouso forçado deserto de Gobi. Em meio àquele ambiente hostil, o grupo, que agora tem onze pessoas, logo percebe que tem poucas chances de sobreviver: além do calor intenso, eles podem ser assaltados e ainda há pouca água e comida. É quando um dos passageiros, o excêntrico Elliot, propõe que uma nova aeronave, que seria batizada de Fênix, seja construída a partir das partes não danificadas do cargueiro. Towns inicialmente ignora a idéia maluca, mas com o passar do tempo e a situação desesperadora, ele aceita os planos, pois talvez seja esta a única chance de saírem vivos de lá.

Com orçamento de US$ 45 milhões, O Vôo da Fênix é uma refilmagem de um longa de 1965 com o mesmo título. O modelo usado para montar a seqüência da queda do avião custou US$ 250 mil e funcionou tão bem que, em um dos vôos, chegou a quebrar a perna de um cinegrafista. O elenco conta com Dennis Quaid, visto recentemente em O Dia Depois de Amanhã, e Miranda Otto, que interpretou a personagem Eowyn em O Senhor dos Anéis.