达芬奇生活在一个宁静和平的小村庄里，每天都沉迷在自己研究的神奇发明中。他有个名叫洛伦佐的好朋友，勤劳勇敢，喜欢自然，总是给达芬奇许多帮助。达芬奇喜欢一名叫“蒙娜丽莎”的聪慧又机敏的女孩，在他们身边总是会发生许多有趣的事儿。直到一场大火烧毁了蒙娜丽莎家的农田，她的父亲为了生计，不得不让蒙娜丽莎嫁给一个富有却惹人讨厌的家伙。为了解救自己的伙伴，达芬奇从一个神秘说书人那里听说在弗洛伦撒附近的海域内藏有宝藏。
瘴气镇是一个风暴永驻的小镇，所有刚出生驼背的小孩都被疯狂的科学家拉去做助手，并且他们都叫伊戈尔。小镇里的科学家们都以发明邪恶的发明为荣，在每年举办的“全国邪恶科学大展”上夺冠更是每一个科学家梦寐以求的荣誉。其中一个科学家的助手伊戈尔（约翰·库萨克 John Cusack 配音），他不满足于当一辈子的助手，想成为一名科学家，并且展会上赢得第一名！恰好就在展会举行前两周，这个伊戈尔的主人格里肯斯坦博士（艾迪·伊扎德 Eddie Izzard 配音）突然猝死了，这对于伊戈尔是个天赐良机。于是，他冒着杀头的风险，冒名顶替了博士去参赛。在短时间里，他发明了他的第一个作品——伊娃（莫莉·香侬 Molly Shannon 配音），而天下没有不透风的墙，他冒名顶替的事情被人发现了，伊戈尔将如何化解问题，来完成自己的梦想……
“大Z”吉克（杰夫·布里吉斯 Jeff Bridges 配音）是企鹅世界最知名的冲浪选手，他有着光辉成绩，又在十年前消失在一次比赛里，因此成为传奇，他的故事激励了一代又一代小企鹅继承冲浪事业，科迪（希亚·拉博夫 Shia LaBeouf 配音）就是其中最痴迷的一个，他从小就立志走出小镇，也的确凭自己的努力和天赋，得到经纪人长腿鸟（马里奥·坎东尼 Mario Cantone 配音）和矮熊老板（詹姆斯·伍兹 James Woods 配音）的支持，带他进入世界级冲浪比赛赛场——夏威夷岛。在那里，科迪遇见了一个蔑视“大Z”的傲慢选手“坦克”（狄尔里奇·巴德 Diedrich Bader 配音），为维护偶像向他提出挑战，还遇到美丽的救生企鹅兰妮（佐伊·丹斯切尔 Zooey Deschanel 配音），梦想和爱情，一起摆在年轻科迪的面前…
在未来世界，由于痛失爱子，天才科学家天马博士（尼古拉斯·凯奇 Nicolas Cage 配音）创造出了机械人阿童木（弗莱迪·海默 Freddie Highmore 配音），想以此来作为儿子的替身，寻找安慰。虽然，阿童木拥有博士儿子的情感和记忆，而且先进的程序还在不断完善其情绪，并让他富有同情心。可是，博士始终无法接受失子之痛，对阿童木也不能正确对待，并认为他不是人类而将其抛弃。阿童木沦落为无家可归的流浪儿，而且还备受军方的四处通缉，并最终被抓住。军方要求天马博士拿掉阿童木的能源，让它变成军方机器人的能源配备。在最后时刻，天马博士突然醒悟，并协助阿童木逃走。面对军方的围追堵截，阿童木奋起反抗，最终一场惊世大战一触即发。在不断的旅行过程中，阿童木也逐渐成长，他也接受了自己这机械与人类结合的设计，并肩负起全人类生死存亡的重任。
