Lauri (Lewis) on nerokas 12-vuotias miehenalku, joka on nuoresta iästään huolimatta tehnyt monta hämmästyttävää keksintöä. Hänen viimeisin ja kunnianhimoisin projektinsa on muistiskanneri, jonka avulla hän toivoo saavansa näkyviin varhaisia muistikuvia äidistään ja haluaa selvittää syyn siihen, miksi äiti antoi hänet adoptoitavaksi. Mutta ennen kuin hän ehtii saada vastauksen, hänen keksintönsä varastaa muuan viheliäinen hattupäinen mies ja tämän ilkeä hattu – ja erottamaton kumppani – Doris. Lauri on jo heittämäisillään toivonsa, kun hän kohtaa salaperäisen pojan nimeltä Vilppu (Wilbur) Robinson, joka vie hämmentyneen sankarimme aikakoneella tulevaisuuteen viettämään yhden päivän omituisen perheensä parissa. Yhdessä he jahtaavat hattumiestä maailmassa, joka on täynnä lentäviä autoja ja leijuvia kaupunkeja yrittäen samalla pelastaa tulevaisuuden ja selvittää Robinsonin perhettä koskevan ällistyttävän salaisuuden.