En el planeta Montressor, el joven Jim Hawkins está encantado con las historias del legendario capitán pirata Nathaniel Flint y su habilidad para aparecer de la nada, asaltar los barcos que pasan y desaparecer para esconder el botín en el misterioso "Planeta del Tesoro". 12 años después, Jim se ha convertido en un alborotador distante y aislado debido al abandono de su padre. A regañadientes, ayuda a su madre Sarah a llevar la posada Benbow de la familia, y se divierte con el "crucero solar alponiano": hacer skysurfing encima de una tabla de vela propulsada por un cohete.

Un día, una nave espacial se estrella cerca de la posada. El piloto moribundo, Billy Bones, le da a Jim una esfera y le dice que "tenga cuidado con el cíborg". De repente, una banda de piratas asalta y quema la posada hasta los cimientos mientras Jim, su madre y su amigo perruno, el Dr. Delbert Doppler, huyen. En el estudio de Doppler, Jim descubre que la esfera es un proyector holográfico que contiene un mapa estelar que conduce a la ubicación del Planeta del Tesoro. A pesar de la reticencia de Sarah, Jim y Doppler deciden viajar al Planeta del Tesoro para conseguir los fondos necesarios para reconstruir la posada.

Doppler encarga a la nave RLS Legacy la misión de encontrar el Planeta del Tesoro. La nave está comandada por la felina capitana Amelia junto con su disciplinado primer oficial de piel de piedra, el Sr. Arrow. La tripulación es un grupo variopinto, dirigido en secreto por el cocinero medio robot John Silver, del que Jim sospecha que es el ciborg del que le habían advertido. Jim es enviado a trabajar en la cocina, donde es supervisado por Silver y su mascota que cambia de forma, Morph, para evitar que Jim descubra las intenciones amotinadas de la tripulación. A pesar de la desconfianza de Jim hacia Silver, pronto entablan una tenue relación padre-hijo.

Durante el viaje, la nave se encuentra con una supernova y Jim asegura los salvavidas de todos los miembros de la tripulación. Cuando se forma un agujero negro a causa de la supernova, el despiadado y agresivo miembro insectoide de la tripulación, Scroop, corta en secreto la línea de vida del Sr. Arrow, que cae al vacío. La nave logra sortear las ondas de choque hasta ponerse a salvo, y la tripulación llora la pérdida de Arrow mientras Jim es inculpado por no haber asegurado correctamente la línea de vida de Arrow. Más tarde, Jim es consolado por Silver, que sabe que Scroop es el responsable de la muerte de Arrow.

Cuando la nave llega al Planeta del Tesoro, Jim escucha a la tripulación y pronto descubre que en realidad son piratas dirigidos por Silver, y estalla un motín. Jim, Doppler, Amelia y Morph se preparan para abandonar la nave. Jim recupera el mapa y Silver le apunta, pero no se atreve a disparar a Jim y le permite escapar con los demás. El grupo es abatido durante su huida, hiriendo a Amelia, y descubren que el mapa era en realidad Morph disfrazado, siendo el mapa dejado en la nave en una bobina de cuerda a la que Morph había llevado el mapa.

Mientras exploran los bosques del Planeta del Tesoro, pronto conocen a B.E.N., un robot navegante abandonado que ha perdido su memoria primaria y que les invita a su casa para refugiarse. B.E.N. conocía personalmente a Flint y resulta que tiene algunos conocimientos sobre su tesoro, que no puede recordar del todo debido a que le han quitado la memoria. Los piratas acorralan al grupo allí. Utilizando un pasaje secreto, Jim, Morph y B.E.N. secuestran una lancha para volar de vuelta al Legacy en un intento de recuperar el mapa. Scroop, que vigila el barco, se da cuenta de su presencia y los ataca. Cuando la gravedad artificial se desactiva durante el forcejeo, Scroop intenta sacar a Jim de la nave, pero éste consigue echarlo por la borda para que flote hasta morir en el espacio profundo. Consiguen el mapa, pero al regresar son atrapados por Silver y su tripulación, que ya han capturado a Doppler y Amelia.

Silver obliga a Jim a utilizar el mapa, dirigiéndolos a un portal que se abre a cualquier lugar del universo, que Jim comprende que es la forma en que Flint realizaba sus incursiones. Abren el portal al centro del Planeta del Tesoro, descubriendo que el planeta es en realidad una antigua máquina que Flint requisó para guardar su tesoro, pero tropiezan con un sensor oculto cuando entran en el núcleo del planeta. Mientras los piratas se preparan para recoger el botín, Jim encuentra los restos esqueléticos de Flint, sosteniendo el componente que falta en el ordenador cognitivo de B.E.N. Lo reinserta y B.E.N. recuerda inmediatamente que Flint había preparado el planeta para que explotara al descubrir el tesoro. El planeta pronto comienza a desmoronarse. Como no quiere irse con las manos vacías, Silver intenta escapar en la nave de Flint cargada con una fracción del tesoro, pero finalmente la deja ir para salvar la vida de Jim. Los supervivientes escapan de vuelta al Legacy, pero éste resulta dañado y no puede escapar de la atmósfera del planeta a tiempo. Jim prepara un cohete improvisado para navegar y se adelanta a la nave hacia el portal. En el último momento, Jim abre el portal hacia el puerto espacial de Montressor, y tanto él como la tripulación salen a salvo de la explosión del planeta justo a tiempo.

Jim encuentra a Silver bajo cubierta a punto de escapar de su inminente juicio. Le permite irse, y Silver le pide que se quede con Morph, además de proporcionarle un puñado del tesoro que consiguió salvar para reconstruir la posada Benbow, creyendo que Jim "hará vibrar las estrellas". Algún tiempo después, se celebra una fiesta en la posada reconstruida; Doppler y Amelia se han casado y han tenido sus propios hijos, y Jim, habiendo madurado bajo la tutela de Silver, se ha convertido en un cadete interestelar. Jim mira al cielo y ve una imagen de Silver en las nubes.