《飞哥与小佛的时空大冒险》发生在泰瑞来到飞哥与小佛家五周年纪念日这一天。飞哥制作了一台大型鸭嘴兽羽毛球机器，两人坐进机器后，阴差阳错地撞上了正背着他们、驾驶火箭车执行任务的泰瑞，随后被弹进杜芬舒斯博士的家中。飞哥与小佛因此认识了杜芬舒斯，并帮他修复被撞坏的超时空终结者。就在这时，泰瑞闯入屋内，为了不让杜芬舒斯发现自己的秘密特工身份，只能赶紧恢复成一只看似无害的鸭嘴兽。
机器修好后，飞哥、小佛、杜芬舒斯和泰瑞一同穿越时空，却来到了一个完全不同的三州地区。这里被身穿黑袍、只有一只眼睛的杜芬舒斯独裁统治，莫来管则成了他的助理。这个时空的泰瑞也被改造成了听命于独眼杜芬舒斯的邪恶机械部属。混乱之中，泰瑞意外暴露了秘密特工身份，飞哥对此十分难过，因为在他心里，泰瑞早已是家人，而家人之间不应该存在秘密。独眼杜芬舒斯随即命令机械泰瑞追捕泰瑞。经过一番激战，泰瑞暂时摆脱追兵，却在独自对付独眼杜芬舒斯时落败被捕。
飞哥一行想返回原本的时空，却发现时空终结者的遥控器失灵，只好寻找这个世界里的另一个自己。然而，另一个飞哥与他截然不同，不仅毫无想象力，甚至不知道暑假是什么。随后，他们找到这个时空的伊莎贝拉，才发现她已经成为杜芬反抗军的军官，飞哥的朋友们也都加入了反抗军，而凯蒂斯则是反抗军的首领。
另一方面，独眼杜芬舒斯从杜芬舒斯口中得知了另一个三州地区的存在，企图利用时空终结者入侵飞哥原本的世界。由于杜芬舒斯忘记了机器的启动方法，独眼杜芬舒斯只好以泰瑞为人质，将飞哥他们全部抓来。危急关头，杜芬舒斯终于想起如何启动机器并打开时空之门，但独眼杜芬舒斯认为他太过懦弱，便把杜芬舒斯和飞哥一行人一同送去喂怪兽。幸好，那个时空的凯蒂斯及时救出他们，并利用时空之门展开逃亡。
众人回到自己的时空后，却发现独眼杜芬舒斯的机械大军已经入侵家园。他们循着线索找到藏在家中的密道，并发现了泰瑞留下的秘密武器。原来，所谓的秘密武器
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