未来世界的超级都市旧京山（San Fransokyo），热爱发明创造的天才少年小宏，在哥哥泰迪的鼓励下参加了罗伯特·卡拉汉教授主持的理工学院机器人专业的入学大赛。他凭借神奇的微型磁力机器人赢得观众、参赛者以及考官的一致好评，谁知突如其来的灾难却将小宏的梦想和人生毁于一旦。大火烧毁了展示会场，而哥哥为了救出受困的卡拉汉教授命丧火场。身心饱受创伤的小宏闭门不出，哥哥生前留下的治疗型机器人大白则成为安慰他的唯一伙伴。原以为微型机器人也毁于火灾，谁知小宏和大白竟意外发现有人在某座废弃工厂内大批量地生产他的发明。

中世纪一个聚集着精灵的小山村，正义的魔法师卡尔多夫（吉姆·库宁斯 Jim Cummings 配音）驱逐了邪恶而法术高强的女巫德里泽达（薇姬·刘易斯 Vicki Lewis 配音）。德里泽达无法匹敌，恨恨逃走，而她那不谙世事、单纯善良的侄女雅典娜（凯莉·斯泰堡丝 Kelly Stables 配音）则获准留了下来。在此期间，雅典娜还收养了小猫汤姆和老鼠杰瑞。雅典娜敏感的身份以及经常惹祸的猫和老鼠，让女孩一直遭受精灵们的歧视。这一天，汤姆和杰瑞偶然在河边拣到一枚龙蛋，这是之前德里泽达的笨蛋手下们不小心弄丢的，有了它德里泽达就可以用可怕的法术报复驱逐她的精灵们。

自从赢得世界大赛之后，农用飞机“尘土”已经成为尽人皆知的草根冠军。可是有一天在练习时，他的身体发现异样。经检查后得知他的变速箱出了问题，该型号变速箱由于老旧已经停产，这也意味着尘土再也无法参加激烈的比赛。一天夜里，不甘失败的尘土继续挑战极限，结果引发弯角服务站机场加油站的大火。虽然侥幸扑灭火灾，但是由于机场安全消防措施不过关，面临着被关闭的命运。眼看就到了机场玉米节狂欢，在场的每一个人都提心吊胆。感觉负主要责任的尘土主动要求参加消防员的培训，在此之后他结识了有着丰富丛林火灾扑灭经验的刀锋、乘风者、北斗星等新伙伴。一切从零开始，命运发生转折的尘土迎难而上……

为了给最疼爱的小老弟菜鸟（克里斯多夫·奈茨 Christopher Knights 配音）庆生，老大（汤姆·麦格拉思 Tom McGrath 配音）带领菜鸟以及好搭档科斯基（克里斯·米勒 Chris Miller 配音）、瑞哥闯入了防守最严密的美国黄金储备中心，只为找到金库尽头仅有的那台销售炸薯条的自动贩卖机。谁知他们刚刚完成任务没多久，便被长着触角的贩卖机吞了进去，随后被运到一个神秘的所在。在全封闭的设施内，四只企鹅见到了伪装成基因遗传科学家的章鱼戴夫（约翰·马尔科维奇 John Malkovich 配音）。原来戴夫曾是动物园一只明星章鱼，但随着萌态十足的企鹅们的到来，他便跌入了绝望的深谷。因此戴夫潜心研制了可怕的血清，发誓要向所有他曾待过的动物园中的企鹅展开报复。