Après avoir été téléporté dans un autre système solaire, la famille Robinson tente de survivre tant bien que mal sur une planète désolée. Face à la dégradation de leur conditions de vie, ils sont contraints de repartir; ils ont cependant la bonne surprise de retrouver le Résolution intact, ainsi que les autres colons. Cependant, le vaisseau-mère a ses secrets qu'il faudra percer si les colons veulent pouvoir se débarrasser des robots aliens qui les menacent.
Sept mois après avoir été transportée dans le système binaire par un hyperpropulseur extraterrestre, la famille Robinson s'efforce de survivre sur l'une des planètes, et ce avec des réserves d'énergie en permanence au minimum. Mais les conditions finissent par se dégrader au point d'obliger les Robinson à tenter une manœuvre folle pour quitter la planète : utiliser la foudre afin de recharger leur vaisseau.
Alors qu'ils ont transformé le Jupiter 2 en bateau et qu'ils se dirigeaient droit vers une tempête pour recharger le vaisseau avec les éclairs, les Robinson ont la surprise de tomber sur une crevasse artificielle qui parcourt toute la planète et abrite des structures. Tout en tentant de mettre leur plan en œuvre, les Robinson s'aperçoivent que non seulement les structures sont de la même origine que le robot de Will mais qu'en plus, elles pourraient les aider à recharger les réserves d'énergie du Jupiter 2.
De retour dans l'espace, le Jupiter 2 reçoit un signal du Résolution. En s'arrimant au vaisseau, les Robinson découvrent un vaisseau fantôme parcouru par un troisième robot extraterrestre, endommagé. Smith, de son côté, profite de l'occasion pour s'évader et accéder à un poste de sécurité, ce qui lui permet de détruire les preuves de ses crimes. John et Maureen parviennent à enfermer le robot dans une soute blindée, tandis que Judy découvre une survivante et que des troupes de sécurité du Résolution abordent à leur tour le vaisseau.
Maureen apprend par Hastings, agent de renseignement, et Ben Adler, son subordonné, la vérité sur le projet de colonisation : l'astéroïde qui a bouleversé l'environnement terrestre était en réalité un vaisseau extraterrestre qui s'est écrasé. Les humains ont récupéré la propulsion, le robot pilote (surnommé "l'Épouvantail", Scarecrow en anglais), ainsi que le noyau du vaisseau.Tous ces éléments leur ont servi de base de construction du Résolution. Ben est particulièrement intéressé par la capacité de Will à communiquer avec les Robots, ayant toujours rêvé de pouvoir en faire autant.
Entretemps, la famille Robinson apprend, non sans difficulté et déception, à se réinsérer dans le Résolution. En effet, Judy est reléguée à la gestion des stocks comme tout interne de première année, alors même qu'elle avait été l'unique et compétent médecin précédemment. De son côté, Penny doit retourner en classe et a pour seule consolation d'y revoir son ex-petit ami. Quant à John, il doit déboucher le forage auquel sa fille est affectée. A la suite de l'effondrement de la plateforme de forage, il se retrouve coincé.
La première tentative de Will et Maureen de communiquer avec Scarecrow est un échec cuisant. Parallèlement, Penny s'est arrangée pour que le Capitaine Radic découvre l'identité réelle de Smith, cette dernière est ainsi mise aux arrêts. Toutefois, elle parvient à empoisonner le Capitaine Radic, le seul à connaître ses crimes après la destruction des preuves, mais s'arrange pour le garder en vie.
Une nouvelle menace se profile : un organisme se nourrissant du titane dont est fait presque tout ce qui est utilisé par les colons (vaisseaux, véhicules, matériel...).
John, toujours coincé dans le forage est gravement blessé, et seule Judy, marathonienne confirmée, est capable de lui ramener les médicaments à temps, mais à condition de traverser le territoire de dangereux prédateurs. Will, après une nouvelle tentative de contact, apprend du robot du Résolution, l'Épouvantail, que son propre robot est intact, et sur la planète où sont installés les colons et descend sur la planète avec sa mère et Ben Adler. Penny, de son côté, tente de trouver des preuves des crimes de Smith avec l'aide de Vijay ; toutefois, elle se fait trimbaler sur une fausse piste par Smith. Mais alors que cette dernière tente de la convaincre d'abandonner, elles découvrent que le micro-organisme métallophage a infecté le Résolution.
L'organisme métallophage s'est servi d'un colon portant des vis chirurgicales en titane au genou pour pouvoir pénétrer le Résolution malgré la décontamination, et menace de détruire le dernier espoir des colons de pouvoir rentrer chez eux. Et une mauvaise nouvelle n'arrivant jamais seule, Penny, Vijay, Smith, et le professeur sont coincés dans une zone isolée; tandis que la seule méthode efficace pour lutter contre l'infection, utiliser de l'ammoniaque, nécessiterait plus d'un an avant de pouvoir être appliquée, le vaisseau étant incapable de produire l’ammoniaque en quantité suffisante. L'infection du vaisseau prenant de plus en plus d'ampleur, c'est tout la section infectée que l'on envisage de larguer dans le vide, et les quatre survivants avec. Don a un plan pour les sauver, mais est obligé de révéler ses activités illégales de contrebande pour convaincre ses supérieurs de l'appliquer. Pendant ce temps, Will part pour le lieu où se trouve son robot et finit par le retrouver. Il s'agit cependant d'un piège : le second robot qui les avait attaqués alors qu'ils tentaient de revenir sur le Résolution a pris l'apparence du robot de Will pour pouvoir le kidnapper ; mais il est détruit par Ben avant de pouvoir nuire. Alors que Will perd tout espoir de retrouver son robot, c'est ce dernier qui le retrouve.
Les retrouvailles de Will avec son robot sont fortes en émotions. Toutefois, si le garçon et sa mère sont heureux de ce retour, Adler est plus réservé. Il a reçu ordre de ramener le robot dans le container spécialement conçu pour neutraliser le robot par la douleur. Toutefois, en constatant l'évolution du robot, qui s'est lié d'amitié avec un cheval au point d'avoir gardé un souvenir lorsque l'animal décède accidentellement, Adler décide de changer de plan et de laisser le robot regagner librement le Résolution, au grand dam de son supérieur, Hastings, pour qui l'évolution du robot fait de lui un risque encore plus grand. À bord du vaisseau-mère, John se rend sur la passerelle de commandement pour un briefing avec la Capitaine suppléante Kamal, mais une transmission inconnue la pousse à le chasser du pont sans la moindre explication. Ayant deviné à la réaction de Kamal qu'une menace était imminente, il s'associe avec Smith pour pénétrer dans un serveur sécurisé qui lui donne la réponse : un grand nombre de robots aliens convergent vers le vaisseau. En quittant le serveur, il se fait arrêter à la suite de la trahison de Smith... conformément au plan qu'il avait conçu afin d'infiltrer Smith en tant que taupe. Elle lui révèle que l'équipage du Résolution a l'intention de partir en abandonnant les colons restés sur la planète. John et Maureen, avec quelques amis, mettent donc au point un plan visant à s'emparer du vaisseau.
Maureen rallie l'équipage de techniciens du vaisseau (un grand nombre d'entre eux devant être abandonné) et provoque une mutinerie sur le Résolution — malgré les tentatives du Capitaine Kamal de lui expliquer que les Robots ne ciblent que le Résolution et qu'ils ne s'en prendront donc pas aux colons laissés sur place — afin de l'utiliser pour récolter l'amoniaque qui leur permettra d'éliminer l'organisme métallophage. Will, ayant appris le plan d'Hastings consistant à abandonner les colons, refuse d'aider à la mise en œuvre de l'hyperpropulsion; ce qui pousse Hastings à rendre visite à John pour lui annoncer que Maureen avait négocié avec lui pour permettre à Will d'intégrer le programme en échange des codes de commandes du vaisseau, et qu'il va prendre le contrôle du système de survie et causer un désastre. Cependant, Maureen parvient à contrecarrer ce funeste projet. Entretemps, Penny essaie de convaincre Will que son robot a changé, mais ce dernier refuse d'admettre les faits jusqu'à ce qu'il libère l'Épouvantail et se mutine.
Le Robot veut emmener l'Épouvantail jusqu'à sa planète, mais l'état du vaisseau, en orbite transatmosphérique, ne permet aucun saut hyperspatial. Face à l'arrivée des troupes de sécurité, Will et Penny se dépêchent de cacher les robots et réfléchissent à ce qu'ils vont faire ensuite. De son côté, Hastings, convaincu d'agir pour le bien de l'humanité, n'a pas l'intention de passer pour le méchant de l'histoire et se sert des codes de commandes pour provoquer un "tragique accident", qui laisse les parents Robinson hors du Résolution dans des modules de maintenance, avec une jolie petite histoire pour se donner le beau rôle; accusant au passage Will d'avoir saboté l'hyperpropulsion afin que l'équipage se mette à sa recherche. Judy veut retrouver son frère, tandis que Smith offre son assistance à Hasting, en faisant le profil psychologique de la famille Robinson. Smith leur donne une localisation qui s'avère juste, mais les Robison sont déjà partis, le Robot ayant pu communiquer sa destination à Will. Dans les modules, John et Maureen sont malmenés par des gigantesque créatures aérobies. Smith tente de retrouver par anticipation les Robinson avec l'aide de Ben, qui commence à avoir des doutes, mais les enfants les prennent au dépourvu en conduisant un rover en plein dans les coursives bondées du Résolution; cependant ce n'était qu'une diversion pour permettre à Will de prendre le Jupiter 2, toutefois l'enfant tombe sur Ben, qui pense de la même manière et a donc pu anticiper les actions du garçon bien mieux que Smith. Will tente de le convaincre en lui disant que c'est l'occasion ou jamais de réaliser son rêve de devenir l'ami de l'Épouvantail, mais c'est le robot qui convainc Ben de changer de camp quand il lui explique que Scarecrow le considérait déjà comme son ami, alors qu'Hasting et ses hommes passent à l'offensive. Il emmène Will et l'Épouvantail à bord du Jupiter et fuit pendant que les parents Robinson reviennent à bord du Résolution d'extrême justesse.
Alors que les colons quittent enfin la planète désertique, Will et Ben se dirigent vers les structures extraterrestres afin de réparer l'Épouvantail. Ils déposent celui-ci au point de repère indiqué par le Robot de Will ; mais la tempête qui alimente les structures approche trop vite, et Ben décide de se sacrifier pour emmener l'Épouvantail au point de réparation. Mais l'effet secondaire inattendu est la réactivation d'une armée de robots. Sur le Résolution, les filles organisent secrètement le ravitaillement de leurs parents, qui se font passer pour mort afin de conserver l'effet de surprise, et de Dom, qui tente de pénétrer secrètement dans la salle d'hyperpropulsion. Apprenant que Will est de retour poursuivi par un vaisseau robotique, Hastings veut forcer le Robot à déclencher l'hyperpropulsion ; mais John Robinson, se servant de son entraînement militaire, parvient à forcer le passage, à neutraliser Hasting et à libérer le Robot. À l'arrivée de Will, Maureen demande au Robot d'activer l'hyperpropulsion, mais il refuse, la fenêtre hyperspatiale n'ayant aucune chance de refermer avant que le vaisseau robotique ne la franchisse à son tour, par conséquent, Maureen décide de leur tendre un piège. L'abordage des Robots est fulgurant, mais le piège fonctionne ; malheureusement, cette victoire provoque l'envoi de toute une armada de vaisseaux robotiques. Judy offre alors une solution: mettre tous les enfants à bord du Résolution dans un Jupiter, et l'envoyer sur Alpha Centauri en suivant le signal d'un Jupiter d'une précédente vague de colonisation, tandis que les colons évacueront sur la planète désertique, ce qui implique que la famille Robinson sera séparée. Smith, comme à son habitude, tente de profiter de la situation, mais le Robot parvient à la convaincre de renoncer avec le mot « famille ». Alors que les familles font leurs adieux, le Robot prévient Maureen que les autres Robots envahisseurs vont se libérer, et Smith se sacrifie pour retarder leur tentative. Une fois libérés, les Robots foncent vers le Jupiter des enfants, mais l'Épouvantail s'interpose. Cependant, le Jupiter est touché, et Maureen a l'idée d'envoyer le Résolution en trajectoire de collision avec des débris spatiaux, ce qui implique l'aide d'Hasting, qui accepte d'envoyer les codes de commandes. Alors que Maureen et John acceptent leur sort, Dom revient les sauver. Le vaisseau-mère est atomisé, et le vaisseau robotique avec lui, tandis que les enfants partent vers Alpha Centauri. Sauf qu'une fois arrivé à destination, les enfants Robinson se rendent compte que le signal du Jupiter qu'ils ont suivi est en réalité celui du Fortuna, un vaisseau disparu depuis 20 ans et dont le capitaine n'est autre que Grant Kelly, le père biologique de Judy Robinson…
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