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Le pilote de chasse et capitaine Pete « Maverick » Mitchell a ralenti délibérément ses promotions en trente-six ans de service afin de continuer de voler. Il est aujourd'hui pilote d'essai dans le désert des Mojaves pour le projet d'avion hypersonique nommé The Darkstar. Après un vol à plus de Mach 10, son prototype prend feu et Maverick s'éjecte. Le programme d'essai prend fin.
Maverick est convoqué à la base aéronavale de North Island pour entraîner un groupe de diplômés de l'école de chasse Top Gun. Pour cette mission spéciale, il est réclamé par son ami et ancien pilote rival, l’amiral Tom « Iceman » Kazansky, devenu le commandant de la Flotte U.S. du Pacifique. Parmi eux se trouve le lieutenant Bradley « Rooster » Bradshaw, le fils de son défunt meilleur ami et navigateur Nick « Goose » Bradshaw.
Maverick retrouve son amie Penny, fille d'amiral1 laquelle tient le bar proche de l'école d'aviation et vit avec sa fille Amelia, adolescente. Lorsque Maverick se présente comme instructeur, les officiers supérieurs qui dirigent l'école l’informent de la mission particulière des pilotes réunis à Top Gun : détruire une installation dans un cratère volcanique en haute montagne destinée à la fabrication d'uranium enrichi. Une nation hostile (sans nom mentionné) développe cette usine avec l’intention de l'utiliser contre les États-Unis ou contre leurs alliés dans la région. L'équipe de pilotes est chargée de détruire cette cible, bien protégée par son emplacement très particulier, au bout d’un canyon montagneux défendu par plusieurs sites de missiles SAM.
Maverick fait connaissance avec les pilotes d’élite, lesquels l'accueillent froidement. L'un d'eux, Jake « Hangman » Seresin, garde cyniquement ses distances avec les autres pilotes, Maverick inclus. Une forte tension se développe entre Maverick et Rooster lorsqu’ils se rencontrent, laquelle se transforme en hostilité. Il faut les séparer après un début de bagarre. Rooster reproche notamment à Maverick d'avoir freiné sa carrière.
Lorsque la formation aérienne commence, les pilotes constatent les grandes compétences de Maverick en combat aérien. Aucun d'entre eux ne parvient à le vaincre à l'entraînement. Ceux-ci révisent leur opinion négative à son égard ; certains d'entre eux apprécient la virtuosité et l'expérience aérienne exceptionnelle de Maverick. Maverick favorise également la création d'un esprit d'équipe ; par exemple, en organisant une partie de football américain, aux règles particulières.
Maverick revoit une dernière fois Iceman, amiral quatre étoiles, qui affronte de graves problèmes de santé. Il explique à Maverick la gravité de la situation et l'importance qu'il attache à la réussite de cette mission. Iceman le conseille.
Prenant les choses à cœur, Maverick présente un plan d’attaque aux deux amiraux chargés de superviser la mission. Maverick préconise une équipe de deux F/A-18F Super Hornet biplaces, chacun avec une escorte de F/A-18E Super Hornet monoplace. Les quatre chasseurs multi-rôles seraient lancés à partir d'un porte-avions et voleraient au ras du sol pour éviter d'être détectés par les sites radar SAM, avant d’atteindre les installations atomiques du canyon montagneux. Les chasseurs devront alors faire l’ascension du cratère, bombarder l’installation d’enrichissement d’uranium pour la détruire avant de se replier. En cas de succès du bombardement, le retour nécessitera une ascension finale dangereusement raide, repoussant les limites des performances des F/A-18. En effet, cette forte montée réclame une accélération de 9,5 G, soit deux G au-dessus des performances maximales spécifiées. Une fois cette manœuvre aérienne dangereuse accomplie les jets seront la proie des missiles sol-air ennemis. Dans cette optique, Maverick évalue et sélectionne, parmi les douze pilotes, ceux capables d'endurer l'approche et les manœuvres à grand facteur de charge requises pour la mission.
Iceman meurt. Le commandement de Top Gun décide aussitôt de retirer ses fonctions à Maverick. Et, doutant du plan de Maverick, préconise un autre schéma d'attaque : en altitude. Prenant les commandes d'un avion de chasse, Maverick démontre à tous que son plan est parfaitement opérationnel.
La date de la mission étant avancée, le vice-amiral Simpson malgré ses réticences désigne Maverick comme chef de celle-ci. Maverick choisit « Phoenix » et « Bob » comme ailiers, le second groupe étant composé de « Payback » et de « Fanboy » avec, contre toute attente, « Rooster » en escorte. « Hangman » est affecté au groupe de remplacement. Une fois la sélection effectuée, la mission est lancée sous la direction de Maverick. L'approche à basse altitude fonctionne efficacement, empêchant les missiles SAM de déclencher leur tir à leur approche. Le passage à 9.5 G est franchi dans le cratère, où l'installation atomique est détruite par le bombardement aérien. Cependant, la destruction de la piste d'envol par des missiles mer-sol met évidemment l'ennemi en alerte tandis que des avions ennemis modernes (ressemblant fortement au Soukhoï Su-57 mais simplement désignés comme étant de cinquième génération) patrouillent ; ils cherchent à détruire le groupe d’attaque conduit par Maverick. Ce dernier voit que Rooster est sur le point d'être abattu par les appareils hostiles ; il s'interpose entre Rooster et un missile pour le sauver au prix de son propre avion. Maverick s'éjecte avant que son F/A-18 n'explose en vol. Au sol dans la neige, il est bientôt repéré par un hélicoptère de combat (ressemblant au Mi-24 Hind). L’hélicoptère ennemi est détruit par Rooster, de retour pour protéger Maverick ; bientôt touché également par un missile sol-air, il s'éjecte à son tour. Le duo au sol explore la zone boisée pour tenter de découvrir une issue possible pour sortir du territoire ennemi.
En surplomb, ils repèrent la base aérienne ennemie, aux pistes détruites par le bombardement d'appui. En désordre, elle présente des avions de chasse intacts, sans surveillance, dont un F-14 Tomcat reconditionné. Les deux pilotes s'emparent du F-14, et décollent du taxiway intact, avec l'espoir de retourner au porte-avions. Rooster déclenchant sa balise dans le Tomcat, les contrôleurs aériens du porte-avions américain en déduisent que Maverick est vivant et qu'il a dérobé un avion ennemi. En l'air, ils sont rapidement repérés au radar par deux appareils de cinquième génération ennemis. Maverick, fin connaisseur des capacités du Tomcat, les engage et les détruit. À court de munitions, sans défense, ils sont rattrapés par un troisième appareil ennemi. Celui-ci est abattu par Hangman, qui a décollé du porte-avions pour couvrir le F-14 de Maverick et Rooster.
Volant en formation, il s'en retournent vers le porte-avions. Maverick apponte le F-14 sans train d'atterrissage avant. Le personnel navigant et l'équipage célèbrent le retour de Maverick et des autres pilotes.
Penny retrouve Maverick, avec Rooster, dans un hangar. Maverick s'envole avec Penny en Mustang P-51.
