Descubriendo a los Robinsons Lewis es un chico de doce años inteligente que ha desarrollado una sorprendente lista de ingeniosos inventos. Su último y más ambicioso proyecto es el Escáner de Memoria, una máquina que le ayudará a encontrar a su madre biológica y volver a tener una familia. Pero antes de encontrarla, el malvado Bowler Hat Guy y Doris, su diabólico e inseparable sombrero, le roban su invento.
Pero Lewis no pierde la esperanza y conoce a un misterioso muchacho llamado Wilbur Robinson, que propone a nuestro desconcertado héroe un viaje en el tiempo para pasar un día con la excéntrica familia de Wilbur. En un mundo repleto de coches voladores y ciudades flotantes, se empeñarán en dar caza a Bowler Hat Guy, salvarán el futuro y desvelarán el sorprendente secreto de la familia Robinson.