皮博迪（泰·布利爾配音）是一條擁有高智商的小狗，曾取得哈佛學位并解決地緣政治問題。它收養了孤兒舍曼（麥克斯·查爾斯配音），像慈父般教育他，并通過自制時光機帶舍曼親歷歷史事件。舍曼入學后因知識淵博受表揚，卻遭同學佩妮（阿芮爾·溫特配音）嫉妒與欺凌。為維護舍曼的撫養權，皮博迪竭力取悅佩妮父母及機構負責人。某夜舍曼與佩妮偷乘時光機展開時空冒險，兩人穿越至特洛伊戰爭、文藝復興等歷史現場，導致時間線嚴重紊亂。皮博迪追蹤修復過程中發現時光機存在崩潰風險，最終通過重啟設備犧牲自己穩定時空結構。舍曼與佩妮在危機中理解了家庭真諦，共同修正錯誤后回到現實。事件平息后舍曼與佩妮建立友誼，皮博迪亦成功保住了撫養權。