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小羊们被卷入一个毁灭世界的惊天阴谋，穿梭在混乱的时间轴里，拯救被扰乱的时空。在这一次的冒险中，他们穿梭历史，回到过去，帮助一个个受到影响的老朋友，更在这一过程里，发现一些当年隐藏在背后的真相，在逐步接近的灭世危机中，小羊们该如何保护眼前的朋友们呢？
众羊去冰极考察，发现了考察队的营地（是假的），后来掉在了遗迹的大日晷中，后来发现了挑起狼羊和平的小狼人，喜羊羊先要抓住他，已免在挑起争端。小狼人在引诱喜羊羊撞碎冰梯后逃脱了，然后产生一种神秘的异状，就在这时出现了一只大恐龙，大家该怎么应对呢？
灰太狼与喜羊羊想合力打倒霸王龙反令它失控遇险，多亏两女羊及时救回反令它变得听话。但是当他们以为危险都解决时，却发现沸羊羊和慢羊羊在遗迹中离奇失踪了。在大家一轮搜索后，发现遗迹里竟有一个神秘的空间。
众羊狼为寻找消失的慢羊羊和沸羊羊进入时空门，竟发现里面是个时空隧道挤满了时空迷失者。喜羊羊自责，主动帮时空守卫者——逗逗把时空迷失者送回正确的时空，却发现有一批时空迷失者跑出去青青草原，众羊狼必须把他们找回来。
灰太狼救了一只陌生小羊，谁知小羊误以为灰太狼一家是坏人，总是千方百计想要逃出狼堡，但总是受挫。而正跟伙伴在寻找时空迷失者的喜羊羊收到灰太狼的通知，过来认领小羊。结果当他赶来时，陌生小羊也逃出狼堡，两人相撞。
喜羊羊把上集捡到的笔记本还给智羊羊，却发现自己把笔记本搞掉了几页，喜羊羊与智羊羊到处寻找都找不到。喜羊羊让灰太狼帮忙，谁知道却让智羊羊误会遭遇危险，最后喜羊羊和灰太狼合力解救，误会解开。
小智羊羊回到羊村觉得充满新奇，喜羊羊因此发现小智羊羊不是这个时空的小羊。与此同时，小狼人潜入羊村，不知情的小智羊羊遭受利用，险酿大祸。最终小智羊羊与村长相认，喜羊羊惊讶得知小智羊羊原来就是自己的爸爸。
小智竟然就是喜羊羊的爸爸，而他的梦想就是制造水火箭。喜羊羊想帮助智羊羊完成梦想，却被慢羊羊告诫不能相助，只能让智羊羊自我完成。最终，智羊羊在与和喜羊羊的玩乐中成功领悟到制造水火箭的关键，完成了梦想。
喜羊羊与小智临别之际，来到游乐园共度最后一日。通过小智的行动，喜羊羊明白到做错事不可怕，重要的是要重新振作起来，弥补过错。最后，喜羊羊与众羊一起救下了脱轨而出的过山车，破灭了小狼人的阴谋，逃过一劫。
小狼人扮成懒羊羊的样子跟着喜羊羊送小智回去。当喜羊羊发现他的真面目时，小狼人已将雷霆号撞进错误的时空，打算将喜羊羊他们永远困在那里。好在喜羊羊和小智发现及时，最终打败小狼人，挫败了他的计划。
喜羊羊在过去时空收到了小智羊羊为自己准备的“生日礼物”后，感动地返回现代。喜羊羊与大家合力阻止小狼兵逃跑，却因为美羊羊的一时害怕而失败。当大家回到羊村时，更发现过去时空的潇洒哥竟偷偷走上飞机跟出来了。
黑大帅和潇洒哥全部来到了这个时空，小羊们兵分两路，一边去寻找黑大帅，一边则让美羊羊看守潇洒哥。在潇洒哥的鼓动下，美羊羊为了做出自己的贡献也出发寻找黑大帅，但潇洒哥贪图享乐，还不慎捣乱，导致黑大帅逃走。
黑大帅与众羊狼大战失去电力，于是仓皇夺过霹雳号逃走，不料美羊羊躲在车内。期间，美羊羊想办法去抓黑大帅，反被黑大帅。黑大帅横生一计利用美羊羊威胁众小羊给自己充电，眼见黑大帅要得逞，潇洒哥乌龙出场竟把黑大帅撞飞。
黑大帅来到狼堡，不仅折磨灰太狼，更大肆破坏狼堡内与水有关的一切，甚至利用小灰灰威胁灰太狼。灰太狼想方设法通知小羊，信息却一直意外被潇洒哥阻断。等小羊们赶到狼堡时，黑大帅已因为小灰灰的一杯西瓜汁而被扳倒。
众小羊与灰太狼准备将潇洒哥与黑大帅送回自时空，不料中了小狼人的调虎离山之计，让潇洒哥兄弟得以借故逃脱。幸好关键时刻众人及时发现端倪，赶去抓住一直在互相争斗的兄弟俩，成功将他们制服，踏上归途。
美羊羊送潇洒哥和黑大帅回去时被食人鱼攻击掉落错误的时空，再次潇洒哥和黑大帅无意打破蜂蜜，两人为了不改变时空决定去偷蜂蜜，谁知道导致美羊羊遭遇危险，最后潇洒哥和黑大帅承认错误救回美羊羊
狼羊们将潇洒哥和黑大帅送回他们所在的时空，却不慎将过去的灰太狼弄晕导致历史改变。为了让历史回到正轨，现在的灰太狼扮演过去的灰太狼去应付黑大帅，却始终无法成功，好在最终在喜羊羊的指挥下，终于让历史恢复正常。
小羊们为了营救灰太狼被古古怪界时期的美羊羊抓住，独剩现代的美羊羊躲过一劫。现代美羊羊鼓起勇气，运用霹雳号的装扮功能，在黑大帅大本营上演了一出“真假美羊羊”，骗过黑大帅，用自己的勇敢与智慧救出了小伙伴们。
暖羊羊看到小狼兵拖着当年救过自己的机械羊离开。喜、暖合力救下机械羊，机械羊表示自己的兄弟还被困在冰极。喜、暖急忙带着机械羊去找他的兄弟。谁料这一切都是圈套，机械羊来到目的地，竟一反常态推喜羊羊和暖羊羊进冰窟。
被小狼人改变了程序的机械羊为了阻止喜羊羊和暖羊羊逃出洞底，跟他们发生争执，结果过程中机械羊被冰块砸晕。结果小羊不计前嫌带着他继续探索出路。最终。他们利用洞底的喷泉，将他们冲出地面，成功得救。
机械羊被他的“敌人”——小羊们带回了羊村。慢羊羊发现他身上被人动了手脚，于是大家使尽办法想让机械羊恢复记忆，却因此给了他逃跑的机会。但是面对着小羊们对自己的善意，机械羊开始对小羊们“敌人”的身份感到疑惑。
