À Cap Canaveral. La brillante adolescente Casey Newton (Brittany Robertson) est optimiste et douée d'une grande curiosité scientifique. Attrapée en plein sabotage nocturne du démontage d'une aire de lancement désaffectée où travaille son ingénieur de père Eddie pour la NASA, Casey termine sa nuit au commissariat. Le lendemain, elle trouve parmi ses affaires un pin's orné d'un T. Lorsqu'elle le touche, elle se retrouve projetée temporairement dans un lieu fantastique, à la technologie très avancée. Pour en apprendre davantage, Casey tente de se procurer un autre pin's. Aidée de son frère Nathan (Pierce Gagnon), elle découvre qu'une boutique de souvenirs de Houston en vend. Les vendeurs Hugo et Ursula deviennent agressifs pour savoir où elle a obtenu le pin's. Casey est sauvée par la jeune Athena (Raffey Cassidy), un robot venu de Tomorrowland. Cet endroit, situé quelque part dans le temps et l'espace, est en danger, et Casey pourrait le sauver. L'inventeur de génie Frank Walker (George Clooney) est le seul capable d'emmener Casey à Tomorrowland pour vivre une périlleuse mission susceptible de changer à jamais la face du monde et leur propre destin…