Basado en el libro "Un día con Wilbur Robinson", de William Joyce, la película cuenta el sueño de Lewis, un niño huérfano tremendamente inteligente y apuntando en la construcción de todo tipo de dispositivos que pueden ayudar a la gente. Sin embargo, por mucho que fabrica, no se puede llenar el vacío que no se siente sabiendo que su madre, por lo que Lewis decidirá a buscarlo independientemente. Para ello inventa un escáner de memoria que te hace recordar lo que era, pero el mal del Sombrero, con la ayuda de su fiel sombrero robótico Doris, sabotea la invención. Dolido por el incidente con el jugador de bolos, hasta el tejado del orfanato donde se encuentra con un niño llamado Wilber Robinson. Esto le lleva lejos de todos sus problemas a un lugar que nunca había visitado antes: el futuro. Allí se encuentra con otra familia Robinson, junto con otras personas extrañas y locas que le guiará en su nueva aventura que tendrán que salvar el futuro de las garras temibles del Sombrero y su séquito de sombreros.