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小羊们上天探险的计划被灰太狼打断。争斗中羊狼被一股神秘力量震飞，神秘力量也意外融入众羊体内。孤身一人的喜羊羊重组嘻哈号寻找小伙伴。 路上，他不仅勇闯生产天气的天气工厂、给天空涂色的彩虹世界等，还发现体内的神奇力量竟能激发嘻哈号使出炫酷技能，帮助他击退灰太狼。最终，喜羊羊找回伙伴们，一起完成天空冒险之旅。
小羊们为实现村长的梦想和自己的向往，大家合力改造嘻哈火车朝着天空出发。另一边，灰太狼忘记了红太狼的生日已到，匆忙拆下一颗被自己捡到用以装饰相框的宝石作为礼物送给红太狼，嘻哈火车在飞向天空的途中受到天狼号的攻击。混乱中宝石引发了大爆炸，大家被牵连而四散于空中，从昏迷中醒来的喜羊羊却找不到同伴的踪影。
喜羊羊醒来后发现自己居然在天空上，为了找回失踪的伙伴们，喜羊羊去找拥有飞机的机械鸟帮忙，谁知机械鸟竟是个“大忽悠”。正当喜羊羊失望时，灰太狼前来夺取飞机，而机械鸟却利用飞机的机关击退了灰太狼，不禁让喜羊羊刮目相看。
喜羊羊找到了嘻哈火车的残骸，却没有发现伙伴的踪影，喜羊羊想要将车修复完好，而机械鸟却断定火车没有马达，已经无法修复，两人因此产生了矛盾。最后机械鸟被喜羊羊感动而做了滑翔翼送给他，又因为比灰太狼先找到嘻哈号的马达而被灰太狼追赶。喜羊羊为了救被灰太狼追赶的机械鸟，又弄坏了滑翔翼。
得到嘻哈号马达的喜羊羊在机械鸟的帮助下修好了嘻哈号，而在他试驾的时候灰太狼却抓走了机械鸟并拆了他的飞机零件安装在了天狼号上。喜羊羊驾驶着嘻哈号与灰太狼展开了战斗，紧要关头嘻哈号成功变形，喜羊羊利用新形态的嘻哈号一举打败了灰太狼并救出了机械鸟。
遇到灰太狼偷袭的喜羊羊不慎毁坏了气象城的极光果，为了弥补过失的他自愿来到天气工厂希望种出新的极光果。同样在天气工厂干活的懒羊羊得知有青青草原来客，前去寻找的他却碰到了灰太狼，在逃跑过程中终于见到了喜羊羊。
小羊们虽着急种出极光果，但还是会帮助其他人的工作，在小羊们的鼓励下小希代替病了的广播员播报趣闻让员工放松。谁知在员工们休息时，天气树却因缺水意外长出了极光果，与此同时，传输大炮却被灰太狼偷走了，工厂顿时陷入了混乱。
懒羊羊在喜羊羊的激励下开始练习分体技能，但训练不是很顺利，甚至频频出错。喜羊羊为犒劳辛苦练习的懒羊羊外出购买食物，竟意外遇到灰太狼并被抓走，为了救出喜羊羊，懒羊羊爆发潜能成功操控分体车并打败了灰太狼。
小羊发现工人和小希似乎有矛盾，想要化解矛盾的他们却意外发现了混入工厂的灰太狼和他的阴谋。小羊一边阻止灰太狼的恶行一边为小希和工人的矛盾烦恼，最终他们发现工人们和小希并没有矛盾，这一切都是误会。
由于灰太狼抢走了运输天气果实的传输大炮，天气果实堆积如山，小希想利用遥控翅膀来解决运输问题，可守旧的主任却因前几次遥控翅膀的失误，极力反对遥控翅膀的出现。在主任的批评下小希变得沮丧万分，最终在懒羊羊鼓励下恢复自信的小希和大家一起重新造出了遥控翅膀，这件事也使得主任对小希改观。
灰太狼意外击中天气树，导致天气树濒临枯死。气象城一片混乱，小羊们经过不懈努力终于拿到了天气种子，却又中了灰太狼的圈套。千钧一发之际，懒羊羊出动嘻哈号打败了灰太狼，可嘻哈号的一个颠簸却使得懒羊羊吞掉了最后一颗天气种子。
众人意外发现吞下了种子的懒羊羊竟然可以生产天气果，懒羊羊在帮助大家生产天气果实时却找不到喜羊羊的身影，每次回到员工宿舍时都看到喜羊羊在睡觉，于是认为喜羊羊是为了偷懒而不帮助大家。来到灰太狼营地的懒羊羊却发现了被抓起来的喜羊羊，得知对方是为了保护自己而被捉走的，为了救出喜羊羊，懒羊羊利用自己能生产天气果的能力击败了灰太狼。
天气树的情况越来越差，懒羊羊又患了感冒，工厂却在这时接到了大量订单，喜羊羊只能到处恳请客户延缓收货时间。懒羊羊为了众人，带病制造果实，在完成订单时却又不慎引起风暴，再次对天气树造成伤害。在他自责不已时，却发现天气树的情况竟因风暴的作用而好转了。
灰太狼想要小羊们帮他追回开走了天狼号的红太狼，甚至帮忙照顾天气树来示好，这不寻常的举动却使得懒羊羊怀疑万分。在一次麻烦中，灰太狼为救大家而受伤，这奋不顾身的举动消除了懒羊羊的怀疑。在灰太狼发明的快速生长灯的帮助下，大家齐心协力治好了天气树，狼羊一起向着下一个目的地出发。
喜羊羊、懒羊羊和灰太狼来到彩虹城寻找其他小羊和红太狼的踪迹。发现羊蹄烟花的他们得知，放烟花的人是七色精灵。在彩虹城的照相师和七个奇怪的小朋友的帮助下，小羊们和灰太狼终于找到了“七色精灵”，却被照相师告知他们拿错了照片，原来帮助他们找人的小朋友才是七色精灵。
喜羊羊和懒羊羊意外地发现了红太狼的踪迹。前去与灰太狼商讨计划的红太狼没有意识到小羊的跟踪，灰太狼好不容易才使红太狼不被小羊们发现。灰太狼声称找到了美羊羊的踪迹，小羊们跟随着灰太狼前往森林寻找美羊羊，却发现这一切都是灰太狼的阴谋。另一边，七色精灵的领队就是美羊羊，七色精灵制造的彩虹意外帮助喜羊羊和懒羊羊二人脱离了险境。
一年一度的彩虹节到了，小精灵们决定举办游戏大赛来度过。喜羊羊和懒羊羊为了找到比赛的主办人美羊羊，决定参加比赛，灰太狼为了获得奖品也前来参加比赛。在比赛中，喜羊羊结识了东海斑鱼，东海斑鱼提到海和天之间曾经有一条云海隧道，而隧道不知因为什么原因在十几年前关闭了。经过一番或简单或困难的比试后，喜羊羊和灰太狼同时拿到了比赛第一名，却被告知今天只是预赛。
喜羊羊与懒羊羊参加了拼图比赛，负责藏拼图碎片的小精灵则偷偷加入了比赛。在比赛过程中，喜羊羊和懒羊羊终于见到了美羊羊。另一边，灰太狼为了赢得比赛抢夺碎片，三羊齐心协力阻止了灰太狼，而天狼号里飞出的碎片被东海斑鱼得到。东海斑鱼成为了彩虹节的冠军得主，却发现奖品是过期了的优惠券。
小精灵在帮助小羊们战胜灰太狼时受伤，但即使受伤他们还是不忘相互比拼，喜羊羊和懒羊羊只好带他们出去散心。热心的小精灵到了外面后开始帮助别人，却常常好心帮倒忙，这使得小羊们非常无奈。
灰太狼为捉羊想办法潜入了彩虹城堡，恰好遇到了正在制造彩虹的美羊羊，而美羊羊却要一边制造彩虹一边对付灰太狼，手忙脚乱。危急时刻，美羊羊意外发现嘻哈号的新功能，利用音乐控制灰太狼不停地跳舞，打败了灰太狼并成功制造出了彩虹。
七色精灵用来制造彩虹的颜色笔不见了，想到之前灰太狼进入彩虹堡捣乱，大家认为是灰太狼拿走了颜色笔。在追查颜色笔的过程中，小羊们发现灰太狼路过的地方都会变色，更加笃定是他拿走了颜色笔。众人为拿回颜色笔做了众多努力，最终却发现灰太狼只是在背着红太狼修复被他弄断的限量版唇膏，而颜色笔则在懒羊羊的背包里。
