Льюис растет в детском доме без родителей и мечтает найти свою настоящую семью. Его воображение не знает границ, а способности к изобретательству поражают взрослых и сверстников. Из кусочков найденных деталей он собирает устройство, которое должно «воспроизводить» воспоминания и показать хоть лицо мамы, которая в детстве подбросила его в приют. На школьной ярмарке, где он должен продемонстрировать своё изобретение, происходят удивительные события: он знакомится с Уилбером, ровесником, который выдает себя за сотрудника некоей «Службы контроля времени» из будущего. Но на сцене появляется и ещё один таинственный гость в чёрном котелке, который крадёт прибор и создаёт настоящий хаос. Чтобы вернуть устройство и поймать вора, герои отправляются в будущее и начинаются невероятные приключения.
В дальнем времени их ждёт немало испытаний: поездка на машине времени, дружба с роботом по имени Карл, схватка со сторожевым динозавром и спасение мира от посягательств злодея и его зловещего котелка. Но главное переживание ждёт Льюиса в самом конце — встреча с большой, дружной и немного сумасшедшей семьёй Робинсонов, которые становятся для него долгожданной опорой и родной связью, которую он искал всю жизнь.
Фрэнки и его группа поющих лягушек стали главными персонажами рекламы, призывающей аудиторию выключить мобильные телефоны во время просмотра.
После тест-просмотра, специально устроенного для Джона Лассетера, он предложил множество изменений. За десять месяцев до премьеры было переделано около 60 процентов мультфильма, добавлены новые сюжетные линии и сцены.
«Walt Disney Feature Animation» хотели специально подчеркнуть, что они являются обособленным подразделением от «Pixar», и поэтому переименовали компанию в «Walt Disney Animation Studios». «В гости к Робинсонам» стал первым мультфильмом, где появился новый логотип «Walt Disney Animation Studios».
Мозговой сканнер на афише «Мозговых сканнеров с Марса» выглядит практически так же, как и Дорис.
Джиму Керри было предложено озвучить Боулера, однако он отказался, предпочтя сыграть в «Роковом числе 23» (2007).