A família de astronautas do Dr. John Robinson, acompanhada por um piloto e um robô, partiu em 1997 de uma Terra superpovoada na nave espacial Júpiter 2 para viajar a um planeta que orbita a estrela Alfa Centauri. A missão Júpiter 2 é sabotada pelo Dr. Zachary Smith (um agente de um governo estrangeiro não identificado), que entra na nave e reprograma o robô para destruir a nave e a tripulação. No entanto, Smith fica preso a bordo, e seu excesso de peso altera a trajetória de voo da nave, colocando-a diretamente no caminho de uma enorme tempestade de meteoros.
No ano de 1997, a família Robinson parte para colonizar Alfa Centauri. Um espião estrangeiro, também conhecido como Dr. Smith, fica preso a bordo, tentando sabotar o projeto. A nave é desviada do curso e entra em uma tempestade de meteoros devido ao peso extra do Dr. Smith, que desequilibra os computadores de navegação. Smith tenta desesperadamente se salvar reanimando a tripulação. Resultado: a família Robinson se perde no espaço.
A Júpiter 2 é puxada para dentro de uma nave alienígena gigante, onde há criaturas avançadas semelhantes a bolhas. Enquanto John e Don procuram mapas e equipamentos, o Dr. Smith e Will procuram encrenca.
O Professor Robinson tenta explorar um planeta onde os Robinson planejam pousar. Seu sistema de propulsão para-jato falha devido à sabotagem do Dr. Smith. O Major West "pousa" a Júpiter II, apesar do Dr. Smith também ter sabotado o sistema de propulsão da Júpiter II, e a família e o Major West resgatam o Professor Robinson.
John descobre que o planeta em que estão se distanciará ainda mais do Sol. Na tentativa de sobreviver, os Robinsons fazem as malas e seguem para o sul. O Dr. Smith permanece no local de Júpiter 2 enquanto a família Robinson encontra um ciclope aterrorizante e uma antiga cidade deserta.
O Professor Robinson descobre que a órbita dos planetas trará imenso calor à nave espacial. Com esse conhecimento, os Robinson decolam na carruagem e seguem para o sul. No entanto, de volta à Júpiter 2, o Dr. Smith, que ficou para trás por acreditar que eles estavam mentindo, percebe que a órbita é estranha, trazendo imenso frio seguido de calor extremo. Ele envia o Robô para avisá-los, e eles então tentam viajar de volta à Júpiter 2. No entanto, em seu caminho, há um enorme mar interior que antes estava congelado. O imenso calor e frio carbonizam a vegetação. Eles sobrevivem ao calor e retornam à Júpiter 2, onde estão mais seguros.
Jimmy Hapgood pousa no planeta e os Robinsons se tornam seus amigos. Depois de ajudá-lo a consertar sua nave espacial, os Robinsons tentam convencê-lo a levar Will e Penny de volta à Terra. O Dr. Smith tenta embarcar na nave e tomar o lugar deles.
Penny "imagina" uma nova companheira, uma força vital desencarnada que vive abaixo da superfície. O Dr. Smith acidentalmente fere Penny, fazendo com que a criatura desconte sua raiva em todo o planeta.
Alienígenas luminosos capturam o Dr. Smith e planejam substituir o computador queimado pelo cérebro dele. Smith negocia com eles e eles tentam usar o cérebro de Will.
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