動物と話すことができるドリトル先生(ロバート・ダウニー・Jr)は、名医だが変わり者。世間から距離を取り、様々な動物たちと共に、ひっそりと暮らしていた。だが、若き女王が重い病に倒れたと聞いたドリトル先生は、唯一の治療法を求めて、伝説の島へと冒険の旅に出発。共に旅立つ仲間は、助手のスタビンズ少年と、ドリトル先生が最も信頼する親友の頑固なオウムのポリネシア(声:エマ・トンプソン)、臆病なゴリラのチーチー(声:ラミ・マレック)、とぼけたアヒルのダブダブ(声:オクタヴィア・スペンサー)、陽気なシロクマ、皮肉屋のダチョウなど、個性豊かな動物たち。その他、メガネをかけた忠実な犬や、おしゃべりなキリン、賢くて勇敢なキツネ、昆虫など数多くの生き物が登場。旅の中で明らかになるドリトル先生の過去、そして国を揺るがす陰謀とは……。