故事發生在一個寧靜的小山村，影片的開頭採用了拼貼畫的表現形式，充滿了童真與童趣，很好的表現了孩子們心中渴望擁有的奇幻之旅。女主角王雨果緊接著出場，她是一個調皮搗蛋的小女孩，會些三腳貓的功夫，開場與野豬的「戰鬥」就幾乎毀了整條街道，對在村子裡當武術教頭的父親不叫「爸」而美其名曰「大山哥」，在神秘世界乘車插隊，儼然是一個混世小魔王。王雨果還經常在村裡子惹禍，別說人，就連村子裡的大黃狗都被她折騰的夠嗆，一看見她尋過來就閉眼裝睡，但求躲過這一劫。在村子裡沒有對手的王雨果只能跑去森林裡探險，正是在這裡，她遇見了獅虎獸啦啦，她在本片中冒險的好夥伴。在與啦啦的追逐中王雨果遇險，意外獲知啦啦竟然會說話，此後二人陰差陽錯的進入了雲鯨體內，進入到了只有動物生活的神秘世界。
王雨果與啦啦在神秘世界經歷了一連串冒險，通過她的冒險，導演帶領觀眾領略了這個具有東方美學風格的奇幻世界。奇異的巨大植物，形態各異的動物，讓人想起《阿凡達》中的外星世界。王雨果的好奇心也讓她一開始在神秘世界就吃了不少苦頭，這時的雨果還未成長，只是在神秘世界四處搗亂，弄得動物們叫苦不迭。但王雨果面臨著一個棘手的問題：三天之內如果回不到人間，她就會變成動物，永遠的留在神秘世界了。劇情進行至此，王雨果第一次真正的感到了恐懼，初入神秘世界的新鮮勁也已褪去，情緒陷入了低潮。一行人為了使雨果能夠回到人間，決定去神殿趁舉行加印儀式時把回去的關鍵物件「鯨壎」偷出來，但不幸被虎將軍發現，追逐的過程中雨果與熊大叔和啦啦走散了。這時劇情出現重大轉折，雨果從鼠仙人那裡第一次得知自己懸崖被救的真相，並了解到了啦啦的身份是天地孕育的靈物，是開啟神秘世界九星封印的關鍵，一旦開啟封印，啦啦就會變為石頭，永不能復生。這也是主人公王雨果的第一次成長，她意識到了自己的責任，不再自私，為了解救啦啦，放棄了回家的機會。
少女主人公的成長在宮崎駿的動畫電影中很常見的題材，如《千與千尋》，《魔女宅急便》等，他喜歡用女性柔弱的肩膀來扛起宏大的敘事。而《神秘世界歷險記》中的王雨果的塑造借鑑了宮崎駿電影中的模式，也加入了武俠等中國元素，可說是一個不錯的嘗試。