Lewis es un inteligente muchacho 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 antes de encontrarla, el malvado Bowler Hat Guy y Doris, su diabólico e inseparable sombrero, le roban su invento. Lewis conoce a un misterioso muchacho llamado Wilbur Robinson, quien propone a nuestro desconcertado héroe un viaje en el tiempo para conocer a su excéntrica familia.