故事始于青青草原即将转型为高科技城市之际，喜羊羊、美羊羊、懒羊羊等小伙伴们与灰太狼准备埋藏时间胶囊作为纪念。突然，巨大的爆炸声破坏了祥和的气氛，全身机械的神秘人剔博士手持一块黑色十字状的石头出现。这次遭遇引发巨大爆炸，将喜羊羊与灰太狼意外带到了十五年后的未来。在这个未来，青青草原已变成科技城市，昔日伙伴们均已长大并拥有了各自的职业与生活，如美羊羊成为了一名记者。为了回到自己的时空，二人与未来的小羊们收集分散的象星石碎片，并组合象星石。反派首领剔博士的终极目的是利用象星石的能量将全世界变成受控的机器人，他派遣了步雷等手下不断抢夺碎片。但在过程中，神秘人也派遣厉害的手下来抢夺碎片，于是双方就展开了精彩纷呈的碎片争夺战。
剧情后期出现重大反转，美羊羊盗走了小羊们辛苦收集的所有象星石卡片，成为剔博士阵营的卧底。在最终决战中，喜羊羊与灰太狼为摧毁象星石、拯救世界而英勇赴死。故事的结局是，他们成功回到了过去，而因为他们的努力，未来被导向了一个不同的、更加幸福美满的时空，在那里伙伴们都实现了各自的梦想。
