Lem ha sedici anni e vive su Planet 51, un mondo contraddistinto da bianche staccionate, che ricorda molto l'America degli anni '50 con tutta la sua allegra innocenza. Lem è felice nel suo mondo sicuro e prevedibile e trascorre il tempo sognando di gestire il planetario della sua città e di uscire con Neera, la ragazza della porta accanto. Un giorno, inaspettatamente, a milioni di chilometri di distanza dal suo pianeta natale, l'astronauta Charles 'Chuck' Baker atterra con la sua astronave proprio nel giardino di Neera, e proprio mentre la famiglia è impegnata a preparare un bel barbecue! Ignaro di cosa avrebbe trovato, il Capitano Baker sbarca dall'astronave entusiasta: è il suo grande momento. Pianta la bandiera con fare trionfante, ma nel voltarsi... si rende conto della presenza dei verdognoli abitanti di Planet 51 che lo fissano basiti! Preso dal panico, l'uomo scappa via e va a rifugiarsi nel planetario dove lavora Lem. Qui Lem e Chuck s'incontrano, lentamente superano le loro reciproche paure e diventano amici. Lem acconsente a nascondere Chuck dal paranoico Esercito di Planet 51 che è determinato a catturare l'alieno, per timore che possa essere intenzionato a distruggerli. Chuck, in realtà, non vuole altro che raggiungere la sua astronave prima che questa faccia ritorno sulla terra senza di lui! E così, con l'aiuto di Lem e dei suoi amici - una coppia di soldati di Planet 51 non molto brillanti e un robot esploratore piuttosto emotivo ma fidato - Rover, Chuck e la gang si affrettano a raggiungere l'astronave prima che sia troppo tardi...
