En 1964, un joven llamado Frank Walker acude a la Feria Mundial de Nueva York para vender su prototipo de jet pack, pero es rechazado porque no funciona. A Frank se le acerca una joven, Athena, que le entrega un pin de solapa naranja con una "T" azul grabada en él, diciéndole que la siga hasta la atracción "It's a Small World" de Walt Disney en el Pabellón Pepsi-Cola de la Feria. Frank obedece y se cuela en la atracción, donde el pin es escaneado por un láser, y es transportado a Tomorrowland, un paisaje urbano futurista, donde unos avanzados robots arreglan su mochila propulsora, permitiéndole volar y unirse al mundo secreto.

Frank pasa la narración al optimista adolescente Casey Newton. En el presente, Casey sabotea repetidamente la demolición planificada de un sitio de lanzamiento de la NASA en Florida. Su padre, Eddie, es un ingeniero de la NASA, pero se enfrenta a la pérdida de su trabajo. Casey es finalmente atrapada y arrestada. En la comisaría, encuentra un alfiler entre sus pertenencias. Al tocarlo, el alfiler la transporta a Tomorrowland. Su aventura se ve interrumpida cuando la batería del pin se agota.

Con la ayuda de su hermano pequeño Nate, Casey encuentra una tienda de recuerdos de Houston relacionada con el pin. Los dueños la atacan cuando no puede divulgar dónde consiguió el pin, insistiendo en que Casey sabe de una "niña". Athena irrumpe y derrota a los propietarios, en realidad Audio-Animatronics, que se autodestruyen, destrozando la tienda. Después de que Casey y Athena roben un coche, Athena revela que es un animatrónico, destinado a encontrar y reclutar personas que encajen con los ideales de Tomorrowland. Athena deja a Casey en la puerta de la casa de un Frank adulto en Pittsfield, Nueva York.

El solitario y cínico Frank rechaza la petición de Casey de llevarla a Tomorrowland, ya que fue desterrado hace años. Dentro de la casa de Frank, Casey encuentra un contador de probabilidades que marca el fin del mundo. Frank le advierte que el futuro está condenado, pero ella no está de acuerdo, por lo que baja la probabilidad del contador. Los asesinos animatrónicos llegan para matar a Casey, pero ella y Frank escapan, encontrándose con Athena en el bosque fuera de la casa de Frank. Frank está resentido con Athena por haberle mentido sobre su verdadera naturaleza, pero acepta a regañadientes ayudarles a llegar a Tomorrowland.

Utilizando un dispositivo de teletransporte, el trío viaja a la cima de la Torre Eiffel. Frank les explica que Gustave Eiffel, Julio Verne, Nikola Tesla y Thomas Edison cofundaron Plus Ultra, una sociedad secreta de futuristas, creando Tomorrowland en otra dimensión, libre para realizar avances científicos sin obstáculos. El trío utiliza un antiguo cohete escondido bajo la Torre Eiffel -llamado el Espectáculo- para viajar a Tomorrowland.

Allí, encuentran Tomorrowland en un estado de decadencia. David Nix, el gobernador de Tomorrowland, les da la bienvenida. Viajan a una máquina de taquiones, inventada por Frank, que predijo con exactitud la catástrofe mundial. Casey se niega a aceptar que el mundo se va a acabar, lo que provoca que el futuro se altere temporalmente. Mientras Frank intenta convencer a David de que le escuche, éste se niega y pretende que el grupo abandone Tomorrowland.

Casey se da cuenta de que la máquina de taquiones está diciendo a la humanidad que el mundo se acabará, creando una profecía autocumplida. Se enfrentan a David, que admite que intentó evitar el futuro proyectando esas imágenes a la humanidad como advertencia. En lugar de ello, abrazaron el apocalipsis, negándose a actuar para conseguir un futuro mejor para su mundo. Creyendo que la humanidad simplemente se ha rendido, David también se ha rendido y pretende permitir que el apocalipsis ocurra. Casey, Frank y Athena intentan utilizar una bomba para destruir la máquina, lo que provoca una pelea con David. La bomba es lanzada accidentalmente a través de un portal a una isla deshabitada de la Tierra, la explosión inmoviliza la pierna de David. Athena ve una visión del futuro en la que Frank es disparado por David, y ella salta en el camino de su ataque, hiriéndose mortalmente. Haciendo las paces con Frank, Athena activa su secuencia de autodestrucción, destruyendo la máquina que cae sobre David, matándolo.

En el presente, Casey y Frank dirigen Tomorrowland, reclutan a Eddie y Nate, y crean un nuevo grupo de animatrónicos de reclutamiento como Athena, al que se dirigían al principio de la película. Con alfileres, los niños animatrónicos se disponen a reclutar nuevos soñadores y pensadores para Tomorrowland.