Lewis es un inteligente huérfano de doce años que tiene en su haber 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 cuando se dispone a probarla en la Feria de Ciencias de su colegio, el malvado Hombre del Bombín y su diabólico e inseparable sombrero-robot Doris sabotean su invento para poder robarlo y venderlo a una compañía.
El desánimo de Lewis no dura mucho tiempo, ya que conoce a un extraño muchacho llamado Wilbur Robinson, quien le cuenta una extravagante historia sobre máquinas del tiempo y hombres malvados con objeto a animarle a recuperar su invento. Pero ante la incredulidad de Lewis, a Wilbur no le quedará otro remedio que llevarlo al sitio de done proviene: el futuro.