電影改編自2011年同名暢銷小說，小說以三部曲的形式陸續上市。鬼才蒂姆·波頓對細節的處理非常入微，無論是城堡被轟炸時候炸彈上塗的納粹標誌，還是Jake穿越回酒館被威爾斯人指罵是美國間諜，都將背景定格在了1943年，第二次世界大戰。那些我們從電影中看到的荒誕劇情，都曾經在歷史上真實的存在過。納粹大屠殺是二戰中最為人熟悉的種族清洗之一。在這場行動中約有1500萬人遭到屠殺，其中包括猶太人、共產黨人、羅姆人、同性戀者、和德國國內的異議人士。大屠殺的基本動機是村崔的意識形態，植根與納粹的幻想世界，即猶太人密謀控制世界，反對雅力安的徵途。「這樣的屠殺行動是完完全全來自神話、幻想、抽象、非實用性的意識形態，是空前絕後的——而它的執行確實十分理性，十分實用主義的。」
這樣一場群體狂熱的屠殺，正是《佩小姐的奇幻城堡》背景時代。吃眼珠子也絕不是異想天開。約瑟夫·門格勒，德國人，慕尼黑大學博士，波蘭奧斯維辛集中營軍醫。他在羅姆兒童身上進行了大量藥物試驗實驗、冷凍實驗、通過向兒童的眼睛裡注射化學物品以改變其顏色。同樣是這位軍醫，還有一個更奇特的實驗，將一對大約四歲的雙胞胎吉多和艾娜背靠背的縫在了一起，好像連體雙胞胎那樣。後來他們的傷口出現感染，劣質紗布被流出的膿水浸溼，直至死亡。由Eva Green飾演的時鳥小姐歷史上也有個原型。艾琳娜·森德勒，出生于波蘭華沙，是一名護士，她將2500多名兒童藏在擔架下、手提箱、屍體袋子裡送出隔離區。
2016年的佛羅裡達，男主傑克因為要贍養自己的爺爺而選擇在一家超市打工。
有一天爺爺突然打電話告訴傑克有人要追殺他，這時傑克卻提醒爺爺該吃藥了，原來他的爺爺被認為精神有問題。但當天傑克回到爺爺家卻發現爺爺雙眼被挖出倒在房子附近的小樹林裡，爺爺在死前告訴他一定要去他小時候的孤兒院。找到一隻鳥告訴他你是我孫子，真相全在裡面。
爺爺說的孤兒院是一個奇特孤兒院，裡面的小孩個個都有奇異功能，有隱形人，有張嘴就出蜜蜂的人，還有輕如空氣可以飄起來的人等等，最重要是孤兒院的院長佩小姐是一個可以變成鳥的人。小時候，爺爺每晚都給傑克安利，小傑克很著迷呀，就拿照片給班上的小夥伴看，結果被嘲笑得不要不要的。小傑克心靈受傷，於是決定不再相信爺爺的安利。從此和大人一樣認定爺爺精神有問題。
後來傑克讓自己的心理醫生說服自己的父母讓他去孤島去真正看一看那個孤兒院，從此故事才真正開始。
登上小島的傑克卻發現孤兒院早已因為納粹的轟炸而毀壞，裡面的所有小孩包括院長都消失的無影無蹤。
第二天傑克再次深入孤兒院，終於發現了一個比空氣還輕的飄飄女愛瑪和其他的小夥伴。這群小夥伴把傑克帶進一個山洞，告訴傑克這是一個時空穿越門，從這裡就能回到過去。
佩小姐帶傑克參觀了孤兒院和拜訪了所有小夥伴。除了飄飄女以外，還有嘴裡可以出黃蜂的小男孩，以及隱形人，雙胞胎，可以把植物無限變大的小女孩，大力士小女孩，火女，還有後面有張大嘴巴的捲髮女。用心臟可以控制任何道具的心臟男，以及夢境可以當電影放映的夢境男。佩小姐更是可以變成一隻回時鳥。
傑克其實也是特異人，他的特異功能就是可以看到一種隱形的怪物——噬(shi)魂怪，這種噬魂怪專門吃特異人的眼珠子。這時候他想起了爺爺死前眼珠子就是沒有的。原來他爺爺是被噬魂怪殺掉的。
傑克為了解開更多的謎團，直接去找了佩小姐，佩小姐此時也覺得電影發展快一半了不說接下來劇情就沒法展開了，於是泡好茶配好蛋糕正準備要告訴傑克所有的真相。
原來在很多年前，他們特異人分成了兩派，以拜倫為首的激進派，想通過回時鳥實驗做出一種可以讓時間無限循環但外時空又持續流動的裝置。簡單點說，就是通過回時鳥讓自己長生不老。
於是他們幾個激進小組成員抓了一隻回時鳥做實驗，結果實驗失敗，後果很嚴重，他們在實驗過程中開始變異，變得沒有眼睛鼻子耳朵頭髮，只有一張可怕的大嘴，四肢也變得和蜘蛛一樣。醜陋無比。這就是噬魂怪。噬魂怪不久後發現，通過吃特異人的眼睛特別是特異小孩的眼睛，吃到夠一定的量，就能變回人樣。於是這些噬魂怪就不斷去世界各地吃特異人的眼珠子，在那個時空吃完了，他們會找到世界各地的一些時空穿越門打破回時鳥造的時空迴旋，吃掉裡面回時鳥保護的特異人。
不久那拜倫也要跟過來了，男主一行人不得不放棄這個孤兒院。於是他們聊天結束後開始收拾行李準備撤離。而傑克沒辦法和他們一起撤離，畢竟傑克有自己現實生活的圈子，還有自己的父母。於是狠心和自己剛曖昧準備發展戀情的飄飄女告別回到了現實世界的2016.
回到2016才發現事情很不妙，小鎮上有個人被挖了雙眼，別人不知道為什麼但傑克知道呀，噬魂怪已經追殺到小島上來了，他覺得自己責任重大必須去通風報信，於是又跑回那個山洞準備穿越到孤兒院告訴他們抓緊時間逃跑。而就在這時有個人也跟著他跑進了山洞，那個人不是別人就是他以前的心理醫生呀，他的心理醫生就是拜倫變的呀！那拜倫抓住了傑克，威脅佩小姐讓他變成回時鳥乖乖自己進籠子。佩小姐為了保護他只能照做。
於是剩下的傑克和小夥伴和噬魂怪展開殊死搏鬥，另外他還吩咐其他小夥伴利用自己的特異功能輔助逃跑。就這樣一個小leader傑克誕生了。
之後他們又去就佩小姐，佩小姐通過一個時空門已經被抓到了2016年一月。他們也跟著去到了2016年一月，傑克通過三階段和敵人展開戰鬥！解救成功以後，傑克又要和小夥伴告別，因為他還有自己的生活圈子。
告別完以後，直接飛奔回家裡，看到了活著的爺爺，而爺爺貌似看懂了自己孫子的心思，爺爺給了傑克一筆錢，讓他去想辦法找到飄飄女。於是傑克開掛般跑遍世界各地的時空穿越門，從2016回到2011，再從2011回到1980，以此類推輾轉反側通過世界各地的各個時空穿越門好不容易回到了1942，還當了一年海軍，終於混到了1943年和飄飄女相遇了！