Sr. Peabody (Ty Burrell) é o cão mais inteligente do mundo. Após ganhar o prêmio Nobel e criar diversas invenções que ajudaram a humanidade, ele resolve adotar um bebê humano que encontrou abandonado na rua. Responsável por sua educação, Peabody constrói uma máquina do tempo para mostrar ao jovem Sherman (Max Charles) os fatos históricos estando presentes nele. Entretanto, um novo desafio se apresenta para Sherman quando ele, pela primeira vez, precisa ir à escola. Lá ele se torna alvo de provocações de Penny (Ariel Winter), com quem acaba brigando no pátio. Temendo perder a guarda do garoto, Peabody organiza um jantar em sua casa com Penny e seus pais. Só que mais uma vez a garota provoca Sherman, que acaba descumprindo a orientação do pai adotivo e lhe mostra a máquina do tempo. Não demora muito para que ambos viagem pelo tempo, causando diversos problemas.