Quando jovem, Jim Hawkins (Joseph Gordon-Levitt) cresce apreciando as histórias do lendário capitão pirata Flint. Doze anos mais tarde, ele se tornou um adolescente rebelde e rebelde; seu pai está fora de cena e sua mãe Sarah (Laurie Metclafe) está no fim de sua vida. Jim relutantemente ajuda sua mãe no Benbow Inn, e encontra entretenimento através do "Solar Surfing" (semelhante ao windsurf e ao sky surfing), um hobby que o coloca em freqüentes problemas.
Um dia, uma nave espacial caiu perto da pousada, e Billy Bones (Patrick McGoohan), o piloto da nave, foi gravemente ferido. Antes de sucumbir às suas feridas, ele dá a Jim uma esfera e o adverte para "tomar cuidado com o cyborg". Depois disto, um bando de piratas invade a pousada e a destrói, enquanto Jim, Sarah e seu amigo cão, o Dr. Delbert Doppler (David Hyde Pierce), escapam. Refugiando-se no estudo de Delbert, Jim descobre que a esfera é um mapa para o lendário Planeta do Tesouro.
Doppler comissiona uma nave chamada RLS Legacy, em uma missão de busca do Planeta do Tesouro. O navio é comandado pelo Capitão Amelia (Emma Thompson), de espírito livre, e pelo Sr. Arrow (Roscoe Lee Browne), de pele de pedra; a tripulação é secretamente liderada pelo cozinheiro meio robô Long John Silver (Brian Murray), de quem Jim suspeita ser o cyborg de quem a Bones o avisou. Jim é enviado para trabalhar na galera, onde Silver e seu alienígena de estimação Morph o supervisionam. Embora Jim não confie em Silver, eles formam uma tênue relação pai-filho.
Durante a viagem, o navio encontra uma supernova. Enquanto Jim assegura as linhas de vida, ele salva a Silver mesmo a tempo. A supernova então se transforma em um buraco negro e o Sr. Arrow cai até a morte no abismo. Enquanto Amelia chora o Flecha, ela suspeita que Jim não conseguiu assegurar sua linha de vida, quando ela foi realmente cortada pelo traiçoeiro pirata Scroop (Michael Wincott).
À medida que o navio se aproxima do Treasure Planet, Jim escuta a tripulação e descobre que eles estão seguindo a Silver, o que leva a um motim. Jim, Doppler, Amelia e Morph escapam, mas o mapa é deixado para trás. Silver, pensando que Jim tem o mapa, tem como alvo matá-lo, mas hesita; Amelia acaba sendo ferida quando os fugitivos são abatidos na fuga.
Enquanto Jim explora as selvas do Treasure Planet, o grupo se depara com o excêntrico robô B.E.N. (Martin Short), que perdeu sua memória primária e os convida para sua casa em busca de abrigo, onde o grupo é encurralado pelos piratas; Usando uma porta traseira, Jim, B.E.N. e Morph retornam ao navio em um esforço para recuperar o mapa. Scroop os ataca, mas acaba caindo no abismo. O grupo obtém o mapa, mas acaba sendo capturado por Silver (que capturou Doppler e Amelia) quando eles retornam.
Silver coerces Jim em usar o mapa, que pode abrir um portal para qualquer lugar do universo, o que leva Jim a perceber que foi assim que Flint conduziu suas batidas. O portal do Treasure Planet é aberto, e o grupo descobre que o planeta é uma estação espacial gigantesca que Flint ordenou a fim de armazenar seu saque. Enquanto os piratas se preparam para recolher o saque, Jim encontra o esqueleto de Flint, segurando a peça que faltava do computador cognitivo da B.E.N.. Depois de reinseri-lo, B.E.N. imediatamente se lembra que Flint armou o planeta para explodir com a descoberta do tesouro. Quando o planeta se desfaz, Silver, numa tentativa desesperada de não sair de mãos vazias, tenta escapar em um barco carregado de tesouros, mas sacrifica o tesouro para salvar Jim. Os sobreviventes escapam para o navio, mas ele é danificado e se torna incapaz de deixar o planeta a tempo. Jim prepara um a bordo de um foguetão, e cavalga à frente do navio até o portal. No último momento, Jim coloca o portal no Porto Espacial Montressor, e ele e a tripulação liberam a destruição.
Jim descobre que a Silver escapou abaixo dos decks. Jim permite que Silver saia, e Silver dá a Jim Morph, além de fornecer-lhe algum do tesouro que ele resgatou antes da destruição do planeta para ajudá-lo a reconstruir o Benbow Inn; enquanto ele sai, Silver diz a Jim que ele "chocalhou as estrelas". Amelia oferece a Jim uma recomendação à Academia Interstellar, antes de ele retornar ao porto espacial para se reunir com sua mãe. Algum tempo depois, uma celebração é realizada na estalagem reconstruída; Doppler e Amelia se casam e têm filhos, e Jim se torna um cadete militar. Durante a festa, Jim vê uma imagem de prata nas nuvens, sorrindo orgulhosamente.
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