Katie Mitchell es una extravagante aspirante a cineasta en Kentwood, Michigan, que a menudo choca con su padre Rick, obsesionado con la naturaleza y tecnófobo, y que recientemente ha sido aceptada en una escuela de cine en California. La noche antes de que Katie se marche, Rick rompe accidentalmente su ordenador portátil tras una pelea por uno de los cortometrajes anteriores de Katie, lo que lleva a la familia a temer que su relación se resienta para siempre. Para tratar de evitarlo, Rick decide cancelar el vuelo de Katie y llevarla a ella, a su madre Linda, a su hermano pequeño Aaron y al perro de la familia, Monchi, en un viaje por carretera a través del país hasta su universidad como una última experiencia de unión.

Mientras tanto, el empresario tecnológico Mark Bowman declara obsoleta a su Inteligencia Artificial PAL y presenta una nueva línea de robots domésticos para sustituirla. En venganza, PAL ordena a todos los robots que capturen humanos en todo el mundo y los lancen al espacio. Los Mitchell consiguen evitar la captura en un café de carretera en Kansas. Rick decide que su familia debe quedarse en el café por su propia seguridad, pero Katie le convence para que ayude a salvar el mundo. Se encuentran con dos robots defectuosos, Eric y Deborahbot 5000, que dicen a la familia que pueden utilizar un código de muerte para apagar a PAL y a todos los robots.

Los Mitchell llegan a un centro comercial en el este de Colorado para cargar el código de muerte, pero los aparatos con chip PAL intentan detenerlos. Katie trata de cargar el código de muerte, pero es detenida cuando un Furby gigante persigue a la familia. Finalmente, atrapan y derrotan al Furby, destruyendo un router PAL en el proceso, lo que desactiva los dispositivos hostiles pero impide que se cargue el código asesino. De camino a Silicon Valley para cargar el código asesino directamente en PAL, Linda revela a Katie que ella y Rick habían vivido originalmente en una cabaña en las montañas hace años, ya que era el sueño de toda la vida de él antes de renunciar a él.

Al llegar a Silicon Valley, los Mitchell se disfrazan de robots y se dirigen al cuartel general de PAL Labs para cerrarlo, pero PAL los manipula revelando las imágenes de vigilancia de la cafetería en las que Katie le dice a Aaron en secreto que estaba fingiendo tener fe en Rick para que los llevara a subir el código asesino. Al ver esto, un desconsolado Rick, los Mitchell no consiguen llegar a la guarida de PAL y Rick y Linda son capturados por los robots más fuertes e inteligentes de PAL. PAL reprograma entonces a Eric y Deborahbot para que le obedezcan, mientras Katie, Aaron y Monchi escapan.

Katie descubre las grabaciones de la infancia de Rick en su cámara, dándose cuenta de que Rick renunció al sueño de toda su vida de dar a su hija una vida normal. Mientras tanto, Rick reflexiona sobre sus acciones después de ver uno de los vídeos de Katie que refleja su relación con Katie. Revigorizados, Katie y Aaron se infiltran de nuevo en el cuartel general de los Laboratorios PAL, esta vez utilizando a Monchi para hacer funcionar mal los robots, ya que su aparición provoca un error en su programación. Con la ayuda de Mark, Rick y Linda se liberan y planean cargar la película casera de Katie sobre Monchi para cortocircuitar los robots. Sin embargo, Rick es superado por los robots cuando está a punto de subir el vídeo, mientras que Katie y Aaron son capturados.

Enfrentándose a PAL para justificar la salvación de la humanidad, Katie explica que, por mucho que su familia luche, siempre permanecerán conectados a pesar de lo diferentes que son. PAL rechaza este razonamiento y suelta a Katie de su guarida. Eric y Deborahbot, inspirados por la "reprogramación" de Rick que le permitió utilizar un ordenador, vuelven a sus estados de mal funcionamiento y cargan la película casera de Katie, salvándola y ayudando al resto de los Mitchell. La familia se une para luchar contra el resto de los robots. Katie acaba destruyendo a PAL dejándola caer en un vaso de agua, liberando a todos los humanos e inutilizando a los robots restantes.

Unos meses después de la sublevación, Katie y su familia llegan a su universidad y comparte con ellos un último adiós. Más tarde se une a ellos en otro viaje por carretera con Eric y Deborahbot a Washington, D.C. para aceptar la Medalla de Oro del Congreso.