Gobi er den mageløse fortælling om ultraløberen Dion Leonard, som under et 250 kilometer langt ekstremløb gennem Gobi-ørkenen løber på en lille, herreløs hund. Hunden, som får navnet Gobi, følger ham troligt gennem Tian Shan-bjergene og Gobi-ørkenens sorte sand. Dion knytter sig hurtigt til den beslutsomme og loyale hund og mærker, hvordan hans fokus ændrer sig. Han lader Gobi sove i sit telt, deler sin sparsomme mad med hende, og bærer hende over floder, selvom han ved, det vil koste ham topplaceringen.

Dion bestemmer sig for at tage sin nye ven med hjem til Storbritannien. Men undervejs forsvinder Gobi i en af Kinas myldrende byer. Med hjælp og støtte fra hele verden begiver Dion sig ud for at lede efter den fantastiske, lille hund, som han har tabt sit hjerte til.