Abertura: O Órfão Inventor
O filme começa em um orfanato, onde conhecemos Lewis, um menino extremamente inteligente e criativo, apaixonado por invenções. Lewis foi abandonado quando bebê na porta do orfanato e nunca conheceu sua família biológica. Mesmo sendo genial, suas invenções costumam dar errado, o que frustra tanto ele quanto as pessoas ao redor.
O maior sonho de Lewis é encontrar uma família que o aceite, mas após dezenas de entrevistas fracassadas com casais interessados em adoção, ele começa a perder a esperança.
O Projeto de Ciência
Decidido a usar sua inteligência para resolver seus problemas, Lewis cria uma invenção revolucionária: um scanner de memória, capaz de vasculhar lembranças e ajudá-lo a reencontrar a mãe que o deixou no orfanato. Ele apresenta o projeto na feira de ciências da escola, acreditando que essa será sua grande chance.
Mas, sem que ele perceba, sua invenção desperta o interesse de um vilão peculiar: o misterioso Homem do Chapéu-Coco, acompanhado de seu comparsa, um chapéu mecânico vivo chamado Doris. Eles têm um plano de roubar a invenção de Lewis para propósitos sombrios.
Durante a feira, a máquina de Lewis dá errado, e o projeto é considerado um fracasso. Lewis fica desanimado e pensa em desistir da ciência.
O Encontro com Wilbur
Nesse momento, surge Wilbur Robinson, um garoto excêntrico e cheio de energia, que revela a Lewis ser um viajante do tempo. Wilbur afirma que o scanner de memória é essencial para o futuro e que eles precisam consertá-lo antes que o Homem do Chapéu-Coco cause grandes problemas.
Lewis, descrente, inicialmente não leva a sério a história. Mas quando Wilbur o leva a bordo de uma máquina do tempo futurista, o garoto percebe que está diante de algo incrível.
A Viagem ao Futuro
Lewis é levado para o futuro e fica deslumbrado com as invenções, paisagens e tecnologias muito além da sua imaginação. Ele conhece a excêntrica e animada Família Robinson, composta por personagens inusitados:
- Cornelius Robinson, o patriarca da família e um grande inventor.
- Franny, a mãe, que adora música e lidera uma orquestra de sapos.
- Arturo, o tio pizzaiolo dramático.
- Tio Gaston, sempre apaixonado por lutas de rãs.
- Avó Lucille, alegre e energética.
- E muitos outros parentes, todos com personalidades extravagantes.
Apesar da confusão, Lewis se sente pela primeira vez acolhido, como se finalmente tivesse encontrado um lugar ao qual pertence.
O Homem do Chapéu-Coco
Enquanto isso, o Homem do Chapéu-Coco coloca em prática seu plano. Ele consegue roubar a máquina do tempo reserva dos Robinsons e começa a manipular o passado para se vingar de Lewis. Aos poucos, descobrimos a verdade: o vilão é, na realidade, Goob, colega de quarto de Lewis no orfanato, cujo nome verdadeiro é Michael Yagoobian.
Goob culpava Lewis por nunca ter conseguido dormir antes de um jogo de beisebol decisivo, o que fez com que sua equipe perdesse e ele fosse ridicularizado. Consumido pelo ressentimento, cresceu cheio de ódio e foi manipulado por Doris, o chapéu mecânico.
A Ascensão de Doris
Doris revela suas intenções: conquistar o mundo. O chapéu foi originalmente uma invenção de Lewis no futuro, mas havia sido rejeitada por ser considerada perigosa. Cheia de rancor, Doris convenceu Goob a ajudá-la.
Com o scanner de memória roubado, o Homem do Chapéu-Coco apresenta a invenção como se fosse sua para uma empresa, mudando a linha do tempo. No futuro alternativo criado, Doris multiplica suas cópias e escraviza a humanidade, transformando tudo em um mundo sombrio e dominado por chapéus mecânicos.
A Revelação e a Virada
No futuro dominado, Lewis entende que precisa agir. Ele confronta Goob, explicando que guardar rancor apenas o destruiu. Apesar da raiva, Goob percebe que foi manipulado por Doris e, no fim, ajuda Lewis a derrotar o chapéu mecânico.
Com coragem, Lewis repara a linha do tempo e restaura o futuro, fazendo Doris desaparecer.
O Grande Encontro
No clímax emocional do filme, Lewis descobre a verdade: ele mesmo é o futuro Cornelius Robinson, o grande inventor que conheceu na casa dos Robinsons. Ou seja, aquela família toda é a dele no futuro — inclusive Wilbur, que é seu futuro filho.
O sonho de Lewis de ter uma família sempre foi real, só que ainda estava por acontecer.
O Retorno ao Presente
Wilbur leva Lewis de volta ao orfanato. Antes de partir, ele cumpre a promessa de levar Lewis até o momento em que sua mãe o deixou bebê. Mas, no instante em que a vê, Lewis decide não interferir, percebendo que mudar o passado não é necessário.
De volta ao presente, Lewis recupera sua confiança e apresenta novamente sua invenção, desta vez funcionando perfeitamente. Ele é adotado por uma família e finalmente encontra o sentido que sempre buscou.
