Привычный ход вещей нарушен! Цирковая собака Белка больше не выйдет на манеж покорять сердца зрителей, а дворняжка Стрелка не будет ночевать в подворотнях и искать себе пропитание. Теперь они не просто собаки, а члены отряда космонавтов. И лишь самые достойные, самые выносливые отправятся покорять космическое пространство…
Действие мультфильма происходит в 1960 году. Между СССР и США идёт соревнование в космических достижениях. Советский Союз уже запустил на околоземную орбиту первый искусственный спутник Земли. Теперь идёт подготовка к первому полёту человека в космос, но прежде необходимо обеспечить безопасные условия для такого полёта. Первые друзья человека, собаки, принимают участие в испытаниях. Один за другим старты оказываются неудачными. Большинство собак не возвращается из полётов.
Волею судьбы в Центре подготовки космонавтов оказываются собаки Белка и Стрелка, которые ставят перед собой цель: полететь в космос и вернуться. На это у каждой из них есть веские причины. После жёсткого отбора Белка и Стрелка всё-таки добиваются своего. Они летят в космос на настоящей ракете! В фильме все животные представлены антропоморфными. Исключения составляют моменты, когда в текущих событиях участвуют люди. Тогда герои представлены так, как выглядят в реальности животные (например, собаки лают и ходят на четырёх лапах).