스스로를 아웃사이더라고 생각하는 ‘케이티 미첼’은 영화를 만드는 것이 꿈인 괴짜 소녀. 가족들에게 자신이 만든 작품들을 보여주며 응원과 인정을 바라지만 아빠 ‘릭’은 케이티의 꿈을 이해하지 못하고 서로 감정만 상하기 일쑤이다. 케이티는 꿈에 그리던 영화 대학교에 합격하고 자신을 이해해 줄 친구들을 사귈 생각에 설레어 하지만, 집을 떠나는 마지막 날까지도 아빠와 다투게 된다. 릭은 가족이 망가졌다는 생각에 마지막으로 화해의 시간을 갖고자 학교가 있는 캘리포니아까지 장거리 자동차 여행을 제안하고, 케이티는 어쩔 수 없이 가족여행에 합류한다. 좌충우돌 사건 사고로 가족 모두 여행에 지쳐가는 와중에, 팔 연구소의 스마트 로봇 신제품 발표날, 기계들이 대대적인 반란을 일으킨다. 인간을 포획하여 한데 모아 우주로 보내버리고, 로봇들로만 이루어진 기계 세상을 만들고자 한 것. 엉겁결에 마지막 남은 인간들이 된 미첼 가족은 이제 한 팀이 되어 세상을 구하기로 하고 기상천외한 작전을 계획하는데…