Sin que los humanos lo sepan, existe una próspera y tecnológicamente sofisticada sociedad de marcianos que vive bajo la superficie de Marte. El supervisor de los marcianos, mientras observa la Tierra, ve a una madre que convence a su hijo, Milo, para que haga sus tareas. Los marcianos deciden llevarla a Marte, donde le extraerán su "maternidad" y la implantarán en la próxima generación de robots niñera. Mientras tanto, Milo, al que no le gusta seguir las reglas de la casa ni hacer las tareas y que ha sido castigado por dar de comer brócoli a su gato, Cujo, le dice sarcásticamente a su madre que su vida sería mejor sin ella, lo que la hiere profundamente.

Más tarde, esa misma noche, Milo va a disculparse, pero descubre que su madre ha sido secuestrada. Corre tras ella, pero acaban en partes separadas de la nave espacial marciana. En Marte, Milo es llevado a una celda subterránea. Se escapa y es perseguido por los guardias marcianos, pero sigue una voz que le dice que salte por un tobogán y aterriza en un nivel subterráneo inferior. Allí ve un paisaje cubierto de basura y habitado por criaturas peludas.

Las criaturas se llevan a Milo para que conozca a Gribble, alias George Ribble, el adulto infantil que le dijo que saltara por el tobogán. Gribble le explica a Milo que los marcianos planean extraer los recuerdos de la madre de Milo al amanecer, mediante un proceso que la matará. Gribble, que se siente solo y no quiere que Milo se vaya, pretende ayudar a Milo a rescatar a su madre. Su plan sale mal, lo que hace que Gribble sea capturado y Milo sea perseguido por los guardias marcianos. Milo es rescatado por Ki, una de las supervisoras que crían a los bebés marcianos. Milo le habla de su búsqueda de su mamá y de cómo es una relación humana con una madre, ya que Ki y los suyos sólo fueron tutelados por niñeras y supervisores y no conocen el amor.

Milo regresa a la casa de Gribble pero lo encuentra desaparecido. La araña robótica de Gribble, Dos Gatos, lleva a Milo al complejo marciano donde Gribble está siendo preparado para su ejecución. Milo es capturado por los guardias, pero Ki le lanza una pistola láser, lo que le permite escapar. Milo y Gribble se retiran a un nivel deshabitado aún más bajo, donde Gribble describe el secuestro y asesinato de su propia madre por los marcianos hace 20 años. Gribble se culpa de que la hayan elegido y lamenta no haber podido salvarla. Milo convence a Gribble para que le ayude, justo cuando Ki los encuentra. Descubren un antiguo mural de una familia marciana y se dan cuenta de que los niños marcianos no siempre fueron criados por máquinas. Gribble explica que los bebés marcianos femeninos son criados actualmente por robots niñeros en la sociedad tecnológicamente avanzada, mientras que los bebés masculinos son enviados abajo para ser criados por marcianos adultos masculinos, que son las criaturas peludas que encontró antes.

Milo, Gribble y Ki salvan a la madre de Milo justo antes del amanecer, lo que provoca que la energía del dispositivo de extracción provoque un cortocircuito en las cerraduras electrónicas de la sala de control. Esto permite que los machos adultos y los bebés entren, donde se desbocan, atacando a los guardias y a los robots. Milo y su madre roban cascos de oxígeno e intentan escapar por la superficie marciana, pero el Supervisor, al intentar matarlos, hace que Milo tropiece y su casco se rompa. Su madre le da su propio casco, salvando a Milo pero haciendo que ella misma se asfixie con el aire del planeta. Los marcianos están asombrados, ya que es la primera vez que ven el amor. Gribble encuentra el casco de su propia madre y se lo da a la madre de Milo, salvándola. Milo se disculpa con su madre por sus palabras anteriores y ambos se reconcilian. Ki trae una nave para que escapen, pero el Supervisor interviene. Ki argumenta que los marcianos deben ser criados en familia, con amor, pero la Supervisora insiste en que la situación actual es mejor porque, para ella, es más eficiente. Los guardias se dan cuenta de la naturaleza cruel de la Supervisora y la arrestan, decidiendo que ahora prefieren la visión amorosa de la vida familiar. Los demás marcianos lo celebran.

Milo, su madre, Gribble, Ki y Two-Cat viajan de vuelta a la Tierra, y Milo tiene la oportunidad de disculparse con su madre. Gribble decide no quedarse porque quiere seguir una relación con Ki en Marte. Milo y su madre regresan a su casa justo antes de que llegue el padre de Milo.