Nous sommes en octobre 1997. La famille Robinson (le père John, la mère Maureen, le garçon Will et les deux filles Judy et Penny) ont été choisis pour coloniser une planète près d'Alpha du Centaure. Ils sont accompagnés du major Don West, le pilote de leur engin spatial, le Jupiter 2, et d'un Robot chargé de régler diverses complications qui pourraient survenir durant le voyage. La veille du départ, un agent d'une puissance étrangère, le docteur Zachary Smith, pénètre à bord et programme le Robot qui doit ainsi détruire certains instruments du Jupiter 2 indispensables au pilotage quelques heures après le départ. Mais, par un coup du sort, Smith est incapable de sortir et l'appareil s'envole avec lui à bord. Les Robinson ne s'en aperçoivent pas car ils ont été mis en état d'animation suspendue jusqu'à leur arrivée sur Alpha du centaure. La présence de Smith fait que le poids excessif modifie la trajectoire de l'engin qui se dirige droit vers une pluie de météores. Smith est contraint de réveiller les Robinson qui règlent le problème mais le Robot, animé, détruit plusieurs appareils du Jupiter 2, ce qui fait que les Robinson sont maintenant perdus dans l'espace. Dans le troisième épisode, le Jupiter 2 s'écrase sur une planète inconnue et son équipage va y passer le reste de la saison, y vivant une multitude d'aventures. Smith, lâche et sournois, devient pourtant peu à peu ami avec les Robinson, surtout avec Will qu'il accompagne dans ses nombreuses randonnées autour du vaisseau. Le Robot, qui était au début soumis à Smith, noue une amitié qui se renforce d'épisodes en épisodes avec Will Robinson. Quant au major West, il déteste le docteur Smith et le voit comme une continuelle source de troubles. Mais Smith profite de la tolérance du professeur Robinson et de l'indifférence des femmes à son égard pour imposer sa présence.

Au premier épisode, les Robinson se voient contraints de quitter la planète sur laquelle ils ont vécu la plus grande partie de la saison 1 car le cœur de cette planète, devenu instable à cause des travaux d'un prospecteur intergalactique, menace d'exploser. Le Jupiter 2 met alors le cap sur Alpha du Centaure mais le docteur Smith trafique le système navigationnel pour le diriger vers la Terre et, à cause de cela, l'engin manque de peu de s'écraser sur le Soleil. Les manœuvres pour l'éviter font que le Jupiter 2 se perd de nouveau dans l'espace. À l'épisode 3, il se pose sur une nouvelle planète sur laquelle il va rester pour toute la suite de la saison. Le reste de la saison, les Robinson vont vivre une série d'aventures autant humoristiques que tragiques dans lesquelles le docteur Smith va, presque à tout coup, les mettre dans le trouble. Ils rencontrent alors des extraterrestres tous plus fantaisistes les uns que les autres. Ils font ainsi connaissance entre autres avec un prospecteur sorti tout droit du XIXe siècle, un chevalier du Moyen Âge accompagné d'un basset muni de lunettes, un directeur de cirque ambulant, un sheik arabe, un magicien, un fabricant de jouets, une déeese norvégienne, un fantôme écossais, un amiral du XVIIIe siècle. Les épisodes mettent l'emphase sur le docteur Smith, Will, le Robot et, dans une moindre mesure, Penny.

À l'épisode 1, une comète menace la planète où les Robinson ont vécu une bonne partie de la saison 2 et ils doivent décoller en catastrophe. Cette fois, ils vont bondir de planète en planète sur lesquelles ils vont vivre de nombreuses aventures. Les extraterrestres sont moins fantaisistes que dans la saison 2, quoique certains d'entre eux font sourire: le gardien d'un zoo, une colonie de hippies, un groupe de teenagers qui passent leur temps à se trémousser sur une danse typique des années 1960. La nouvelle saison ne se termine pas par un retour sur Terre ni par une arrivée sur Alpha du Centaure. Une quatrième saison devant conclure la série était prévue qui a été annulée à la dernière minute. Les Robinson et le docteur Smith sont donc toujours perdus dans l'espace. Dans cette saison, les Robinson disposent d'une navette encastrée dans le Jupiter 2 qui était inexistante dans les deux premières saisons. La musique du générique n'est également pas la même que celle des deux premières saisons.