灰太狼受神秘人襲擊後被抓走，小羊們根據蛛絲馬跡將他尋回，卻發現灰太狼眼神變得空洞呆滯，疑似大腦受到損傷。為解救同伴，喜羊羊帶着伙伴們借助灰太狼發明的「腦波機」進入到灰太狼的大腦世界，他們在腦海里一個個光怪陸離的區域中歷險，同時也認識到很多新的朋友，幫助他們探求真相找尋讓灰太狼恢復正常的方法。大家歷盡艱險眼看真相快要浮出水面了，不料灰太狼突然陷入昏迷，更大的危機正步步逼近……