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No futuro ano de 1997 a Terra sofre com sua superpopulação. O Professor John Robinson, sua esposa Maureen, seus filhos Judy, Penny e Will, além do Major Don West, são selecionados para viajar pelo espaço até um planeta do sistema Alpha Centauri, a fim de estabelecer uma colônia, para que outras pessoas possam viver lá.

A viagem é realizada na espaçonave batizada como Júpiter 2. No entanto, o doutor Zachary Smith, um agente de um governo inimigo é enviado para sabotar a missão. Ele é bem sucedido em reprogramar o robô B9 para destruir os equipamentos da nave oito horas após a decolagem, mas no processo se atrasa e fica preso na espaçonave, que decola com ele a bordo.

Ao tentar desativar o robô, este se religa sozinho. Sem saber do perigo que criou para todos, o doutor Zachary Smith decide acordar a família Robinson, que estava em tubos de hibernação. Quando menos se espera, o robô B9 inicia a sua programação e destrói o sistema de navegação, rádio e vários aparelhos importantes, antes de ser desativado.

Com a espaçonave em sérias avarias e já muito distante da rota programada, todos a bordo tornam-se perdidos no espaço e lutam para encontrar o caminho de volta para casa.