阳光明媚的青青大草原，喜羊羊（祖晴 配音）期待已久的日子到来了。他的爸爸妈妈预计这一天返回羊村，于是他找来小伙伴们帮忙打扫房间。就在此时，一艘小型飞艇带着火光坠落大草原，众人匆匆忙忙跑了过去，却发现飞艇里跳出一个可爱的小羊。小羊名叫冰冰羊，她父母的飞船遭到破坏，危急关头她被爸爸妈妈送到地球寻找哥哥。与此同时，正在捕猎的灰太狼受到另一个外星来客的袭击并遭到附体。原来智羊羊和丽羊羊冷藏了一个叫“细菌大...

灰太狼受神秘人袭击后被抓走，小羊们根据蛛丝马迹将他寻回，却发现灰太狼眼神变得空洞呆滞，疑似大脑受到损伤。为解救同伴，喜羊羊带着伙伴们借助灰太狼发明的“脑波机”进入到灰太狼的大脑世界，他们在脑海里一个个光怪陆离的区域中历险，同时也认识到很多新的朋友，帮助他们探求真相找寻让灰太狼恢复正常的方法。大家历尽艰险眼看真相快要浮出水面了，不料灰太狼突然陷入昏迷，更大的危机正步步逼近……...