Lewis a 12 ans et est un inventeur de génie même si ses inventions, aussi fabuleuses soient-elles, sont assez farfelues. La dernière en date est un scanner de mémoire, qui permettrait de raviver les souvenirs oubliés. Lewis compte d'ailleurs s'en servir pour retrouver ses propres souvenirs oubliés de sa maman. Malheureusement, son invention est volée par un homme ignoble venu du futur. Lewis a presque perdu espoir de retrouver son invention lorsqu'un mystérieux garçon, Wilbur Robinson, l'emmène lui aussi vers le futur dans sa machine à voyager dans le temps. Commence alors un voyage délirant, dans un monde inconnu où Lewis va rencontrer une famille vraiment pas comme les autres ! Avec l'aide de Robinson, il va partir à la recherche de l'homme au chapeau melon, essayer de sauver le futur et découvrir le fantastique secret du destin de la famille Robinson.