Mr. Peabody (Ty Burrell) adalah seekor anjing jenius yang dapat melakukan apa saja, mulai dari memainkan musik latin, medali di Olimpiade, hingga mendapat penghargaan Nobel. Suatu ketika, Mr. Peabody memutuskan untuk mengadopsi seorang anak manusia bernama Sherman (Max Charles). Bersama mereka berdua melakukan banyak petualangan ke masa lalu dengan sebuah mesin waktu ciptaan Mr. Peabody yang disebut WABAC. Di hari pertama sekolah, Sherman dengan kemampuan pengetahuannya membuat masalah dengan seorang gadis angkuh bernama Penny (Ariel Winter), yang mengancam hubungan adopsi Sherman.
Malam harinya, sebelum investigator Mrs. Grunion yang keji datang, Mr. Peabody mengundang keluarga Penny agar sikap mereka melunak. Sementara itu, Sherman yang terpaksa bersama Penny, membocorkan rahasia WABAC dan dipaksa Penny untuk berpetualang. Tak disangka, perjalanan itu adalah awal dari petualangan antar waktu yang mengasyikkan. Hingga, di satu titik dimana sesuatu yang tak terduga terjadi, Sherman harus melanggar aturan WABAC - tak boleh pergi di masa kamu ada - untuk menyelamatkan anjing, sekaligus ayah yang ia cintai, juga membetulkan masa depan dari Bumi ini.
