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Lewis è un ragazzino che è stato lasciato da piccolo dalla madre in un orfanotrofio, in cui è rimasto fino all'età di 12 anni. Nonostante questo, si è appassionato di scienza ed è diventato un geniale piccolo inventore. La sua più grande ambizione è quella di inventare un apparecchio in grado di recuperare e visualizzare i ricordi nella memoria, allo scopo di utilizzarlo su sé stesso per scoprire chi fosse la sua madre naturale. Quando è a un passo dal riuscire nella sua impresa, alla Fiera della Scienza scolastica lo "scanner mnemonico" (tale è il nome che ha dato all'invenzione) che ha appena costruito gli viene rubato da un uomo che porta una bombetta. Lewis, vagando disperato sul tetto dell'orfanotrofio, incontra Wilbur Robinson, un ragazzo che si presenta come un poliziotto venuto dal futuro, che dice a Lewis di non rinunciare alla sua invenzione solo perché sabotata dall'uomo con la bombetta. Lewis non gli crede, e Wilbur gli dimostra la sua provenienza portandolo nel futuro con una macchina del tempo, dopo aver ammesso di non essere un poliziotto.

Tra i due però scoppia una lite mentre stAnno viaggiando, e nel caos perdono il controllo della macchina, che si schianta al suolo. Wilbur conduce Lewis nel garage, perché vuole che ripari il marchingegno; in cambio lui gli promette che con la macchina lo porterà nel giorno in cui fu abbandonato all'orfanotrofio, per scoprire l'identità della madre. Prima di mettersi all'opera, però, Lewis esplora il garage e viene risucchiato da un tubo che lo scaraventa al cospetto del nonno di Wilbur, che gli fa fare la conoscenza di ogni membro della famiglia eccetto Cornelio, il padre di Wilbur, che è in viaggio. Quest'ultimo è un geniale scienziato e direttore d'azienda che ha costruito numerose invenzioni, e ha progettato le due sole macchine del tempo esistenti; la seconda è stata però rubata dall'uomo con la bombetta.

Questi intanto, rubata l'invenzione del ragazzo, cerca di spacciarla per sua all'ufficio brevetti della InventCo, ma non sa farla funzionare e provoca un disastro a causa del quale viene respinto. Decide perciò di trovare Lewis per rapirlo e farsi spiegare il funzionamento dello scanner. Dopo un'avventurosa giornata passata a casa Robinson, Lewis è rimasto simpatico a tutti ed è sul punto di essere adottato dalla famiglia, ma Wilbur rivela agli altri la sua provenienza dal passato. Il ragazzo è costretto ad andarsene e viene preso dall'uomo con la bombetta, che gli chiede di riparare lo scanner e di spiegargli come si usa; in cambio, mentendo, gli promette che gli farà conoscere sua madre.

Scoperto l'imbroglio, Lewis viene fatto prigioniero e l'uomo gli rivela la sua storia: lui è in realtà Mike Yagoobian detto Grufolo, vecchio compagno di stanza di Lewis nell'orfanotrofio, deciso a vendicarsi di lui per invidia, dopo che un giorno, perdendo ad una partita di baseball a causa di Lewis (essendosi addormentato in campo dopo aver passato una notte insonne a causa del rumore che Lewis faceva lavorando alla sua invenzione), ha giurato vendetta allo stesso; mentre lo stesso Lewis altro non è che l'inventore Cornelio e padre di Wilbur.

Mike inizia a fuggire con l'invenzione, ma Lewis viene salvato da Wilbur e Carl, il robot domestico dei Robinson. Nella fuga però Carl viene messo fuori uso dalla terribile bombetta Doris, e intanto, dato che nel passato Mike è riuscito a far passare per sua l'invenzione che ha rubato, il futuro inizia a cambiare di conseguenza e Wilbur sparisce, perché Lewis non ha brevettato lo scanner mnemonico al posto di Mike, compromettendo il flusso temporale. Nel futuro che si crea però il dominatore è Doris, che ha ucciso Mike dopo essersi servita di lui per essere prodotta in serie. Lewis riesce a riparare la macchina del tempo e tornare al giorno del brevetto dello scanner, in cui dichiara davanti a Doris che non la inventerà mai: così facendo, la bombetta svanisce nel nulla ed il flusso del tempo torna normale, Wilbur e Carl riappaiono e Mike, riportato dal futuro da cui proviene da Lewis per fargli vedere come il mondo è cambiato sotto il dominio di Doris, sparisce dalla circolazione e smette di essere cattivo. Lewis torna nel passato ma prima assiste alla scena del suo abbandono da parte della madre, rifiutando però di scoprirne l'identità.

Tornato nel presente, Lewis si reca al campo di baseball e sveglia un assonnato Mike in campo, facendogli prendere la palla decisiva: in questo modo Mike sarà felice per la vittoria e nel futuro non diventerà così crudele. Una volta arrivato al giorno della fiera della scienza, mostra lo scanner mnemonico ai giudici, che lo testano con successo, nominano Lewis vincitore e gli dedicano un articolo sul giornale. Lewis viene infine adottato da coloro che lui aveva conosciuto nel futuro come il nonno di Wilbur e da sua moglie, ancora giovani, e va a vivere con loro, conoscendo anche la sua futura moglie Franny.