Basada en el aclamado cuento de ciencia ficción de Lewis Padgett, The Last Mimzy relata la vida de dos niños que descubren una misteriosa caja con dispositivos extraños que ellos confunden con juguetes. A medida que los niños juegan con estos "juguetes", comienzan a mostrar niveles más y más elevados de inteligencia. El profesor de los chicos informa a sus padres que parecen estar convirtiéndose en genios. Los padres también se percatan de que algo extraordinario está sucediendo. Emma, la más jóvenes de los dos, le dice a su confundida madre que uno de los juguetes, un conejo de peluche, parece llamarse Mimzy y que "le enseña cosas".

La preocupación de la madre de Emma va aumentando cada vez más, cuando repentinamente se produce un apagón en la ciudad. El gobierno rastrea el origen de la subida de tensión y la localiza en la casa de la familia. La situación empieza a estar fuera de control. Los niños se concentran en estos objetos extraños, en Mimzy, y en la importante misión a la cual parecen haber sido enviados. Cuando la pequeña dice que Mimzy les trae un mensaje muy serio desde el futuro, una exploración científica demuestra que el cuerpo de Mimzy está formado en parte por elementos electrónicos muy avanzados, y en parte, por materia orgánica! Todos se dan cuenta de que están frente a algo realmente increíble… pero, qué exactamente?.

Sinopsis larga
Siendo un estudiante promedio con una hermana menor con más talento, Noa Wilder (Chris O' Neil) un chico de 10 años de edad, concluye que "la vida es un asco". Él y sus padres han caído en las trampas del mundo de hoy y de la monotonía. Su hermana de 5 años de edad, Emma (Rhiannon Leigh Wryn), es la única que se resiste.

Pero durante unas vacaciones familiares, Noa y Emma encuentran una caja extraña a la orilla de la playa. Asustado y cautivado al mismo tiempo, Noa envuelve el objeto misterioso en su toalla de playa y se lo lleva a casa a escondidas.

Dentro de la caja, Noa y Emma encuentran varias cosas curiosas: un cristal, una "masa gelatinosa", unas rocas dentadas, una concha de mar y, lo mejor de todo, un conejo de peluche.

Mimzy, el conejo misterioso se comunica telepáticamente con Emma lo que le permite a ella desarrollar habilidades asombrosas. A medida que los niños comienzan a explorar los diversos juguetes, una serie de habilidades aparentemente imposibles comienzan a desarrollarse en ellos. Emma descubre que las rocas giran hasta formar un vértice que desmaterializa cualquier objeto que se coloca dentro de él; de la concha de mar, Noa aprende a manipular a la naturaleza, tomando por sorpresa a la feria científica de su escuela, al "mandarle" a las arañas a construir una tela con forma alargada; y del cristal, aprende a desarrollar la capacidad de mover objetos a través del tiempo y del espacio con el poder de su mente. Cada nuevo descubrimiento viene a agregarse al anterior, y pronto los niños se encuentran en un mundo maravilloso, cautivados por las posibilidades increíbles que los juguetes parecen ofrecerles.

Pero el estado de dicha inusual de Noa y de Emma no pasa inadvertido para su madre, quién siente que algo está ocurriendo. Los instintos de Jo Wilder (Joely Richardson) están en lo correcto, pero ella no puede ver, ni entender, y por lo tanto no puede expresar lo que sus hijos están experimentando. La primera vez que Noa le muestra a su madre la tarjeta de cristal, ella no ve lo que él ve. Ella sólo ve un pedazo de pizarra. Noa y Emma, como niños, pueden ver el potencial que tienen los juguetes; Jo, como adulta está atrapada en los patrones fijos del pensamiento, no puede ver nada más allá de lo obvio. Esta incapacidad de pensar de forma creativa asusta a Jo y la hace sentir vulnerable, incapaz de ayudarse a sí misma, ni a su familia.

Aún peor, Jo se encuentra sola con sus miedos, haciendo frente a un marido que trabaja muy duro, David (Timothy Hutton), y que está ausente demasiado tiempo como para darse cuenta de los matices en las vidas de sus niños. Incluso cuando Noa da muestras de una inteligencia y creatividad inusuales durante una presentación científica en su escuela con un proyecto muy superior a sus antiguas habilidades, David sigue obstinadamente sin ver nada.

Después de la presentación, el Profesor de ciencia de Noa, Larry White (Rainn Wilson), tiene sus sospechas, como es comprensible. La curiosidad de White aumenta aún más cuando descubre que Noa ha estado dibujando mandalas de intrincados diseños, imitando a los grandes dibujos budistas de siglos anteriores; y, para profundizar el misterio todavía más, uno de los dibujos de Noa refleja perfectamente una imagen que White ha estado viendo en sus sueños de forma recurrente. Se trata de una configuración astrológica que representa el pasado y el futuro que vio por primera vez durante una larga estancia en el Tibet. ¿Pero qué conexión podría haber entre el Profesor White, Noa, y las antiguas enseñanzas budistas?

A medida de que White y sus padres intentan descifrar exactamente lo que está sucediendo, La novia de Larry: Naomi (Kathryn Hahn) desarrolla una teoría en la que quizás Noa sea un "tulkus", un niño imbuido con conocimientos especiales y con capacidades extraordinarias. Pero para sorpresa de los mismos, no es Noa, sino Emma, quién exhibe las señales indicadoras: "No he visto nunca algo con tanta pureza", exclama Naomi cuando examina la mano de Emma.

Los acontecimientos se suceden rápidamente a consecuencia de este descubrimiento. Lo lejos que esto está del alcance de cada uno llega a ser evidente cuando el Departamento de Seguridad Nacional en Seattle, dirigido por el Agente Broadman (Michael Clarke Duncan) sospecha que se trata de un acto de terrorismo, penetra en el hogar de la familia Wilder y secuestra a su familia de acuerdo con la Ley de Patriotismo. Días antes, Noa había creado una especie de "generador" mientras que experimentaba con los juguetes, y al activarlo accidentalmente, emitió una onda tan intensa que causó un apagón de gran importancia en gran parte del estado. Alarmadas, las autoridades investigaron y descubrieron que la fuente del apagón se encontraba en el hogar de los Wilder. Llevan a la familia al centro de investigación próximo donde los agentes proceden a interrogarlos.

Les confiscan los juguetes y a ellos los ponen bajo intenso estudio científico lo que revela una tecnología mucho más avanzada que cualquiera que conozcamos. Entonces Emma revela que la misión de Mimzy es volver al futuro con algo de nuestros genes, para poder salvar a la humanidad. Frustrada su misión por las autoridades, y con Mimzy y los demás juguetes comenzando a deteriorarse lentamente, Noa y Emma desesperados utilizan las habilidades que han adquirido para intentar escapar del Centro de investigación. Roban una furgoneta - que Noa "ha aprendido" a conducir con un juego de video – y se proponen ir a la cabaña donde dos centrifugadores en perfecto estado permanecen ocultos debajo de la cama de Noa. A pesar de haber burlado a las autoridades, se ven asediados por un enemigo mucho más mundano: a la furgoneta se le acaba la gasolina. Pero Emma no se preocupa, ya que ha aprendido a comunicarse telepáticamente, y le envía un mensaje a Larry en sus sueños. Empujado por Naomi a responderle, Larry acuerda salir del lugar en su sueño, un restaurante al borde de la carretera en donde Emma y Noa lo están esperando.

Después de que Naomi y Larry los recogieran, Emma desesperada, grita por la pérdida inminente de Mimzy. Grita y en las lágrimas de Emma se encuentra la llave para el futuro rescate de la humanidad: su ADN. Esto es porque el ADN no contaminado de Emma contiene los genes para restaurar una emoción vital para la humanidad, una emoción que el futuro ha perdido...