Dans la petite cité pavillonnaire de Retroville, Jimmy Neutron, un garçon de dix ans, est un véritable génie. Il attend fiévreusement, comme les autres enfants, l'événement qui va changer le cours de leur existence : l'ouverture de Retroland, un fabuleux parc d'attractions. Ses parents se sont fermement opposés à cette sortie, mais Jimmy réussit à s'enfuir de sa chambre et brave l'interdit.
De retour de leur folle virée, ce dernier et ses amis découvrent que leurs parents ont disparu de la ville, kidnappés par les abominables Yokians, des extraterrestres gluants. Au bonheur d'être enfin libres succède rapidement l'angoisse de l'abandon. Tous les enfants s'en remettent alors à Jimmy Neutron. Epaulé par son robot-chien, celui-ci va construire une machine pour voyager dans l'espace et se lancer à la poursuite des extraterrestres.