機器人9號（伊利亞•伍德 Elijah Wood 飾）突然醒來，發現身邊的世界充滿危機，四處殘敗，一片末世景象。9號帶著一個畫有三個奇怪符號的圓形物體逃到街上，幸遇發明家機器人2號（馬丁•蘭道 Martin Landau 飾）給自己裝上了聲音，但2號卻不幸被機器怪獸抓走。9號找到了老兵1號（克裡斯托弗•普盧默 Christopher Plummer 飾）、機械工5號（約翰•雷利 John C. Reilly 飾）、瘋癲畫家6號（克裡斯品•格拉夫 Crispin Glover 飾）和大力士8號（弗雷德•
布朗博士（克裡斯托弗•洛伊德 Christopher Lloyd 飾）總是有些稀奇古怪的發明。在一次試驗他發明的時光機器時，他找來了忘年交高中生馬丁（邁克爾•J•福克斯 Michael J. Fox 飾）。豈料實驗過程中博士被歹徒殺害了，馬丁慌亂中架著時光機逃跑，回到了30年前。馬丁遇到了30年前的父親喬治（克利斯丁•格拉夫 Crispin Glover 飾）和母親洛蓮（莉•湯普森 Lea Thompson 飾）。馬丁一邊找尋30年前的布朗博士，好讓自己回到未來；一邊盡力撮合喬治和洛蓮，以免自己在以後消失
愛麗斯（米婭·華希科沃斯卡 Mia Wasikowska 飾）始終被同一個夢魘所困擾，直到她20歲時參加的一場聚會。本認為是一場無聊至極的聚會而已，沒想到卻是精心策劃的求婚儀式。面對養尊處優的公子哥哈米什突如其來的求婚，毫無準備的愛麗斯著實被嚇了一跳。愛麗斯被一隻身馬甲 的兔子所吸引，在追趕過程中愛麗斯掉入了一個深不見底的樹洞裡，來到了一個如同仙境般不可思議的“地下世界”。此時，生活在地下世界的善良人們似乎都在盼望著她的到來，可是她卻認為這是一場夢，隻想快點醒過來回到現實世界。然而，在認識瘋瘋癲癲的瘋帽子
