Jeune garçon, Jim Hawkins (Joseph Gordon-Levitt) grandit en appréciant les histoires du légendaire capitaine pirate Flint. Douze ans plus tard, il est devenu un adolescent rebelle et rebelle ; son père est hors jeu et sa mère Sarah (Laurie Metclafe) est au bout du rouleau. Jim aide sa mère à contrecœur au Benbow Inn et se divertit en pratiquant le "Solar Surfing" (semblable à la planche à voile et au sky surf), un passe-temps qui lui cause souvent des ennuis.
Un jour, un vaisseau spatial s'écrase près de l'auberge, et Billy Bones (Patrick McGoohan), le pilote du vaisseau, est grièvement blessé. Avant de succomber à ses blessures, il donne une sphère à Jim et lui conseille de "se méfier du cyborg". Après cela, une bande de pirates fait une descente dans l'auberge et la rase au sol, alors que Jim, Sarah et leur ami le Dr Delbert Doppler (David Hyde Pierce), qui ressemble à un chien, s'échappent. En se réfugiant dans le bureau de Delbert, Jim découvre que la sphère est une carte de la légendaire planète au trésor.
Doppler commande un navire appelé le RLS Legacy, pour une mission de recherche de la planète au trésor. Le navire est dirigé par le capitaine Amelia (Emma Thompson), qui a l'esprit libre et qui ressemble à un chat, et par M. Arrow (Roscoe Lee Browne), qui a la peau de pierre. L'équipage est secrètement dirigé par le cuisinier mi-robot Long John Silver (Brian Murray), dont Jim soupçonne qu'il est le cyborg dont Bones l'a mis en garde. Jim est envoyé travailler dans la cuisine, où Silver et son animal de compagnie métamorphe, Morph, le supervisent. Bien que Jim n'ait pas confiance en Silver, ils forment une relation père-fils ténue.
Au cours du voyage, le navire rencontre une supernova. Alors que Jim sécurise les lignes de vie, il sauve Silver juste à temps. La supernova se transforme alors en un trou noir, et M. Arrow tombe à mort dans l'abîme. Alors qu'Amelia pleure Arrow, elle soupçonne Jim de ne pas avoir réussi à sécuriser sa ligne de vie, alors qu'elle a été réellement coupée par le traître pirate Scroop (Michael Wincott).
Alors que le navire s'approche de la planète au trésor, Jim écoute l'équipage et découvre qu'ils suivent Silver, ce qui entraîne une mutinerie. Jim, le Doppler, Amelia et Morph s'échappent, mais la carte est laissée derrière eux. Silver, pensant que Jim a la carte, vise à le tuer, mais hésite ; Amelia finit par être blessée lorsque les fugitifs sont abattus dans l'évasion.
Alors que Jim explore les jungles de Treasure Planet, le groupe tombe sur le robot excentrique B.E.N. (Martin Short), qui a perdu sa mémoire primaire et les invite chez lui pour s'abriter, où le groupe est acculé par les pirates. En utilisant une porte dérobée, Jim, B.E.N. et Morph retournent au navire pour tenter de récupérer la carte. Scroop les attaque, mais finit par tomber dans l'abîme. Le groupe obtient la carte, mais finit par être rattrapé par Silver (qui a capturé Doppler et Amelia) à leur retour.
Silver contraint Jim à utiliser la carte, qui peut ouvrir un portail vers n'importe quel endroit de l'univers, ce qui amène Jim à réaliser que c'est ainsi que Flint a mené ses raids. Le portail de Treasure Planet est ouvert, et le groupe découvre que la planète est une station spatiale géante que Flint a réquisitionnée pour y entreposer son butin. Alors que les pirates se préparent à récupérer le butin, Jim trouve le squelette de Flint, qui contient la pièce manquante de l'ordinateur cognitif de B.E.N. Après l'avoir réinséré, B.E.N. se souvient immédiatement que Flint a piégé la planète pour qu'elle explose à la découverte du trésor. Alors que la planète s'effondre, Silver, dans une tentative désespérée de ne pas repartir les mains vides, tente de s'échapper sur un bateau chargé de trésor, mais sacrifie le trésor pour sauver Jim. Les survivants s'échappent vers le bateau, mais celui-ci est endommagé et devient incapable de quitter la planète à temps. Jim monte une planche à voile propulsée par une fusée, et passe devant le navire jusqu'au portail. Au dernier moment, Jim ouvre le portail vers le port spatial de Montressor, et lui et l'équipage effacent la destruction.
Jim découvre que Silver s'est échappé sous les ponts. Jim autorise Silver à partir, et Silver donne à Jim Morph, en plus de lui fournir une partie du trésor qu'il a sauvé avant la destruction de la planète pour l'aider à reconstruire le Benbow Inn ; en partant, Silver dit à Jim qu'il va "faire vibrer les étoiles". Amelia offre à Jim une recommandation à l'Académie interstellaire, avant qu'il ne retourne au port spatial pour retrouver sa mère. Quelques temps plus tard, une fête est organisée à l'auberge reconstruite ; Doppler et Amelia se marient et ont des enfants, et Jim devient un cadet militaire. Pendant la fête, Jim voit une image de Silver dans les nuages, souriant fièrement.
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