Uma cientista e seus filhos vivem sozinhos há muito tempo, desde que o patriarca, o físico Murry (Chris Pine), sumiu misteriosamente. Certo dia, a enigmática Sra. Queé, usando sobretudo peludo e cachecol rosa-shocking, aparece com informações sobre o paradeiro de Murry e a família parte numa viagem que desafia as leis do espaço-tempo.