Omalaatuinen tri John Dolittle on kuuluisa lääkäri ja eläintohtori entisajan Englannissa. Kohdattuaan suuren surun hän on erakoitunut sulkeutumalla kartanoonsa seuranaan sekalainen joukko eksoottisia eläinystäviä. Mutta kun nuori kuningatar sairastuu vakavasti, vastahakoisen Dolittlen on lähdettävä etsimään parannuskeinoa merten takaa, myyttiseltä saarelta. Matkasta tulee huikea seikkailu, ja tohtori saa takaisin elämänilonsa ja rohkeutensa löytäessään uusia ihmeellisiä eläimiä ja kohdatessaan vanhoja vihollisia.
Yhdeksänvuotias Milo (Seth Green) saa tietää kuinka paljon hän tarvitsee äitiään (Joan Cusack), kun tämä siepataan Marsilaisten toimesta äitiyden taitojensa vuoksi. Avukseen äitinsä löytämiseksi ja pelastamiseksi Marsiin myös vahingossa siepattu Milo saa matalaa profiilia pitävän, teknologioita taitavan, maasta kotoisin olevan Gribblen (Dan Fogler), sekä kapinallisen Marsilaisen tytön nimeltään Ki (Elisabeth Harnois). Milo saattaakin apureidensa kanssa löytää tien takaisin äitinsä luokse – useammalla kuin yhdellä tapaa.