У відкритому космосі безпілотний космічний зонд НАСА "Інфініті", що займається пошуком розумного життя, потрапляє в міжгалактичну червоточину і зазнає аварії на іншому кінці галактики. Він приземляється на схожу на Землю планету Малгор, населену різнобарвними інопланетними істотами. Злопам'ятний Зартог випадково виявляє спосіб ручного управління бортовими механізмами та використовує його для поневолення населення. Зіткнувшись із можливим зникненням Безкінечності та свого бюджету, вчені наймають кількох шимпанзе як астронавтів, щоб відновити контакт із зондом та забрати його: технічного генія Комету, лейтенанта Місяця та командира Титана. Для привернення уваги ЗМІ сенатор додає до команди Хема III, онука Хема, першого шимпанзе у космосі, який працює гарматним ядром у цирку. Хему III нецікава місія, але його запускають у космос, незважаючи на всі його зусилля втекти з тренувального центру вченого.
Хем, Місяць і Титан потрапляють у червоточину, де двоє їх втрачають свідомість від тиску, залишаючи Хему завдання витягнути корабель і посадити його. Корабель та Титана захоплюють поплічники Зартога, а Титан навчає Зартога особливостям зонда. Хем та Місяць вирушають до палацу Зартога. Хем зізнається, що вважає "Космічних шимпанзе" жартом, через що Місяць сердиться на нього. Вони отримують повчання від мешканця Кіловатта. Потім Кіловатт жертвує собою, будучи з'їденим монстром у печері, щоб Хем та Місяць змогли обійти його. Опинившись у палаці, вони рятують Титана і мають намір йти. Проте Хем і Титан змінюють свій план дій, помітивши, як Зартог мучить жителів, і відчувають, що мають врятувати планету для Кіловатта.
Потім Зартог нападає на шимпанзе із зондом. У той момент, коли вони вже майже знищені, Титан обманює Зартога в тому, що, на його думку, може призвести його до панування у Всесвіті, запускаючи механізм викиду в зонді, що, своєю чергою, призводить до його поразки. Потім шимпанзе виявляють, що Кіловатт вижив, і через рацію встановлюють контакт із Кометою та Х'юстоном, другом діда Хема, який повернувся на Землю. Оскільки корабель, на який вони сіли, не знаходиться на Малгорі, оскільки шимпанзе вистрибнули під час його запуску, Комета, Місяць та Титан використовують інший спосіб покинути планету. Вони переробляють зонд за допомогою жителів планети і використовують вулкан, що вивергається, щоб вивести його з-під дії гравітації планети.
Шимпанзе виходять у космос, і якраз у той момент, коли вони збираються увійти до червоточини, Титан передає управління Хему, який може витримати тиск і, таким чином, керувати кораблем. Хем, хоч і налаштований спочатку скептично, надихається уявною розмовою з духом свого діда; він маневрує кораблем, повертається Землю і садить його з допомогою Місяця, а сенатор під тиском преси вирішує різко збільшити фінансування космічної програми. Вчені святкують повернення шимпанзе.