Seorang pria berpakaian serba hitam sedang membawa sebuah kandang dari Uni Sovyet untuk Presiden Amerika Serikat Kennedy. Di kandang tersebut terdapat hadiah dari Krushchev untuk Caroline Kennedy, seekor anak anjing bernama Pushok. Ia menemukan hewan peliharaan untuk Kennedy yang lain dan menuturkan ceritanya pada mereka.
Tiga tahun sebelumnya, di Moskow tahun 1960, seorang pria yang aneh muncul, ia sedang menangkapi anjing-anjing jalanan dan membawa mereka pergi. Sekali ia pernah mencoba untuk menangkap anjing bernama Strelka, tetapi Strelka melarikan diri dengan temannya, si tikus Venya. Kemudian, Strelka pergi untuk menggali tulang dan Venya pergi ke telepon umum untuk mencari uang.
Sementara itu, ketika Strelka sedang melarikan diri dari pria aneh tersebut, situasi yang buruk terjadi di sirkus lokal: Vova, seekor babi, menjadi terlalu gemuk untuk terbang menaiki roket, dan Belka, seekor anjing, yang menggantikannya terbang dan bukan Vova. Tetapi Belka kehilangan kendali roket dan terbang keluar dari sirkus. Setelah beberapa waktu, ia menabrak telepon umum di mana Venya si tikus sedang mencari uang dari telepon yang rusak. Setelah tabrakan tersebut, Belka, Strelka, dan Venya ditemui oleh tiga anjing jalanan lainnya: seekor bulldog bernama Bula, seekor pug bernama Mula dan seekor mutt bernama Pirate. Belka dan Strelka berlari dari anjing jalanan lainnya tetapi keesokan paginya ketiga anjing tersebut ditangkap oleh seorang pria yang aneh.
Setelah ditangkap, para anjing tersebut ditempatkan dalam sebuah kereta menuju Baikonur di mana mereka dibawa ke sebuah pusat pelatihan program luar angkasa milik Sovyet. Di sana mereka bertemu pelatih mereka, Kazbek, yang harus memilih dua anjing terbaik dari semuanya. Sebulan sebelum tanggal peluncuran, yang terpilih adalah Bula dan Mula, tetapi di hari akhir pelatihan, Venya mencapai garis akhir terlebih dahulu, kemudian disusul dengan Belka dan Strelka di tempat kedua dan ketiga. Belka dan Strelka diharuskan ikut terbang bersama Venya, karena Venya adalah yang pertama dan akhirnya kelompok penerbangan pun telah terpilih.
Diakhir penerbangan mereka, Strelka ingin tetap tinggal di angkasa luar, karena ibunya telah mengatakan bahwa ayahnya, Sirius, sedang hidup di antara bintang-bintang. Kazbek, yang menjadi penumpang gelap dalam penerbangan tersebut, muncul, dan berusaha untuk meyakinkan Strelka untuk berbalik. Mereka melihat sebuah formasi obyek yang terbang menuju ke arah mereka. Awalnya mereka mengira obyek-obyek tersebut adalah anjing angkasa luar tetapi ternyata obyek tersebut adalah meteorit, mereka tertabrak hujan meteorit dan roket mereka terbakar karena rusak. Strelka, Venya, dan Kazbek pergi ke belakang roket untuk memadamkan api dengan menggunakan formula makanan mereka sebagai air, Belka ketakutan tetapi akhirnya berhasil loncat melewati lingkaran api untuk duduk di tempat pengendara untuk membawa roket kembali ke bumi. Strelka memadamkan api, dan Kazbek mengungkapkan perasaan cintanya pada Belka. Para anjing melihat berbagai macam rasi bintang dan Strelka memberi hormat pada Sirius sebagai pengganti ayahnya. Kru penerbangan anjing berhasil kembali ke bumi hidup-hidup.
Strelka, Belka, dan Venya mendapat sambutan sebagai pahlawan, dan para ilmuwan baru mengetahui bahwa Kazbek menjadi penumpang gelap dalam penerbangan, tetapi para ilmuwan tidak akan membiarkan dunia tahu bahwa seorang penumpang gelap ada dalam penerbangan.
Hewan-hewan peliharaan Kennedy yang lainnya, dipimpin oleh seekor kucing, tidak mempercayai cerita Pushok, kecuali seekor anjing Perancis yang melihat potongan Cosmonaut di bantalan Pushok. Ia kemudian memintanya untuk menceritakan padanya apa yang terjadi setelahnya. Strelka kembali untuk hidup bersama ibunya. Venya mengadakan konferensi-konferensi, menceritakan kisahnya pada siapa pun yang mau mendengarnya. Belka kembali ke sirkusnya sebagai bintang utama, menerbangkan roket di awal film yang telah diperbaiki. Kazbek hidup bersama dengan kekasihnya, Belka, dan mereka semua hidup bahagia selamanya.
Arsip rekaman yang sesungguhnya dari program luar angkasa Soviet dan Anjing Luar Angkasa ditampilkan selama kredit akhir.
Poster film Space Dogs
Trailer film Space Dogs
Informasi film Space Dogs