Lewis ist ein zwölfjähriger Waisenjunge, dessen größter Wunsch eine Familie ist. Um herauszufinden, weshalb seine Mutter ihn weggegeben hat und um sie zu suchen, erfindet er einen Gedankenscanner. Sein Zimmergenosse, der immermüde Baseball-Spieler Michael „Goob“ Yagoobian erträgt mehr oder weniger stumm Lewis' explosive Mischung aus Traurigkeit und Erfindungswut. Den Gedankenscanner möchte Lewis auf einer Science Fair vorstellen. Ein geheimnisvoller Junge namens Wilbur, der behauptet aus der Zukunft zu kommen, warnt Lewis vor einem bösen Mann mit Melone, dessen Ziel darin besteht, den Gedankenscanner zu stehlen. Während sich Lewis auf die Präsentation vorbereitet, wird sein Gerät von eben jenem sabotiert. Der Gedankenscanner kollabiert und Lewis ist am Boden zerstört.
Lewis zieht sich enttäuscht und wütend auf das Dach des Waisenhauses zurück, wo auch Wilbur bald eintrifft. Dieser will ihn überreden, den Gedankenscanner zu reparieren. Lewis will ihn aber nur reparieren, wenn Wilbur beweist, dass er wirklich aus der Zukunft ist. Kurzerhand bringt er Lewis mit einer Zeitmaschine in die Zukunft. Dort zerstören die beiden die Zeitmaschine unabsichtlich bei einem Streit, weil Lewis in die Vergangenheit will, um seine Mutter davon abzuhalten ihn wegzugeben. In der Zwischenzeit stiehlt der Melonenmann den Gedankenscanner und will ihn als seine eigene Erfindung ausgeben. Das geht gründlich schief, da er keine Ahnung hat, wie das Ding funktioniert. Deshalb plant er, Lewis zu entführen.
Dieser jedoch ist in der Zukunft, wo er die Robinsons, Wilburs vollkommen verrückte Familie, kennenlernt. Nach einem Kampf mit einem Dinosaurier, den der Melonenmann aus der Vergangenheit geholt hat, wollen die Robinsons Lewis sofort adoptieren, nehmen es allerdings gleich zurück, als sie seine blonden Haare sehen. Wütend auf Wilbur rennt Lewis davon und trifft auf den Melonenmann, dem er auch folgt. Lewis repariert den Gedankenscanner für ihn. Der Melonenmann fesselt ihn und erzählt Lewis von seinem Leben.
Wie sich herausstellt ist der Melonenmann nämlich der erwachsene Goob, für dessen ruiniertes Leben er Lewis verantwortlich macht und Lewis ist Wilburs Vater Cornelius. Der Melonenmann gelangt in die Vergangenheit und gibt den Gedankenscanner als seine Erfindung aus, verändert allerdings dadurch die Zukunft extrem. Das Haus der Robinsons ist leer bis auf den Gedankenscanner, auf dem Lewis sehen kann, was passiert ist: Der Hut Doris des Melonenmannes wurde ebenfalls patentiert und vervielfältigt. Dieser Hut hat allerdings ein Eigenleben, versklavt die Menschheit und tötet seinen geschockten Besitzer.
Lewis wird von der Melonen-Robinsonfamilie angegriffen und kann nur fliehen, indem er die kaputte Zeitmaschine in Gang bringt. Er reist in der Zeit zurück und verhindert, dass Doris jemals von ihm erfunden wird. Zurück in der Zukunft repariert sich die Welt von selbst. Lewis begegnet auch seinem zukünftigen Ich, bevor Wilbur ihn in die Vergangenheit bringt. Allerdings an den Tag, als er vor dem Waisenhaus ausgesetzt wurde. Lewis begegnet doch noch seiner Mutter, hält sie allerdings nicht davon ab, ihn wegzugeben: die Zukunft ist ihm wichtiger als die Vergangenheit.
An dieser Stelle wird deutlich, dass die Zeitmaschine nur für diesen Zweck gebaut wurde. Lewis hält seine leibliche Mutter nicht davon ab, ihn wegzugeben, sondern kehrt zurück zum Wettbewerb, um den Gedankenscanner vorzustellen, der diesmal funktioniert. Er wird von einem der Juroren adoptiert. Außerdem trifft er seine zukünftige Frau Franny, die sich in ihn verliebt, und zieht in das Haus, dass er in der Zukunft kennengelernt hatte. Von nun an heißt er Cornelius Robinson.
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