Lewis a 12 ans. C'est un garçon brillant qui a inventé un tas de choses. Sa dernière invention, la plus ambitieuse, est le Scanner de Mémoire. Cette machine devrait lui permettre de retrouver ses lointains souvenirs de sa mère, et peut-être pourront-ils alors former une famille... Malheureusement, son invention est volée par l'ignoble Homme au chapeau melon.
Lewis a presque perdu espoir lorsqu'un mystérieux garçon appelé Wilbur Robinson l'entraîne dans sa machine à explorer le temps... Les voilà lancés dans le futur, où Lewis découvre l'excentrique famille de Wilbur. Dans ce monde futuriste et délirant, ils vont devoir retrouver l'Homme au chapeau melon, sauver le futur et découvrir le fantastique secret du destin de la famille Robinson.
Avec l'aide d'un mystérieux garçon venu du futur, Wilbur Robinson, le jeune Lewis va voyager dans le temps et découvrir le fantastique secret de la famille Robinson.