Lewis, petit génie de 12 ans, a déjà inventé beaucoup de choses tout aussi fabuleuses que farfelues. Sa dernière invention est le scanner de mémoire qui pourrait peut-être lui permettre de raviver les lointains souvenirs de sa mère. Malheureusement, sa géniale invention est volée par un ignoble homme venu du futur, l'homme au chapeau melon. Lewis a presque perdu espoir, lorsqu'un mystérieux garçon, Wilbur Robinson, l'entraîne dans le futur dans sa machine à explorer le temps. Commence alors un voyage dans un monde délirant où Lewis va rencontrer une famille vraiment pas comme les autres !