灰太狼受神秘人突击后被抓走，小羊们依据蛛丝马迹将他寻回，却发现灰太狼眼神变得空泛板滞，疑似大脑受到损害。为挽救同伴，喜羊羊带着同伴们凭借灰太狼发明的“脑波机”进入到灰太狼的大脑世界，他们在脑海里一个个斑驳陆离的区域中历险，一起也认识到许多新的朋友，协助他们根究本相找寻让灰太狼恢复正常的办法。大家历尽艰险眼看本相快要浮出水面了，不料灰太狼突然堕入昏迷，更大的危机正步步迫临……