В эпоху Советского Союза разворачивается история о мальчике, известном под прозвищем Дядя Фёдор. Однажды в подъезде своего дома он встречает необыкновенного кота, умеющего разговаривать, и предлагает ему поселиться вместе. Однако родители мальчика – в особенности мать – решительно возражают против такого соседства. Огорченный и обиженный, Дядя Федор принимает смелое решение: накануне запланированной семейной поездки в Сочи он покидает родной дом.
На рассвете следующего дня мальчик вместе с котом отправляется в деревню Простоквашино. Именно там некогда жил ученый, который обучил кота человеческой речи. По прибытии Дядя Федор и его пушистый спутник (которому вскоре дается имя Матроскин) знакомятся с еще одним говорящим животным – псом по кличке Шарик. Троица обосновывается в пустующим доме.
Папа и мама узнают о побеге сына лишь по прибытии в Сочи. Следуя совету местных сотрудников милиции, они размещают объявление о пропаже ребенка в газете. Когда издание доходит до Простоквашино, Дядя Федор решает написать письмо. Однако послание попадает в Сочи уже после того, как семья возвращается в Москву.
Из оглашенного милиционерами текста письма родители узнают название деревни, где скрывается их сын. Однако поиски осложняются неожиданным обстоятельством: в стране насчитывается 22 населенных пункта с названием Простоквашино. Чтобы выяснить точное местонахождение сына, папа и мама принимают решение разослать телеграммы во все эти деревни.
В Простоквашино телеграмма попадает в руки почтальона Печкина. Узнав, что за информацию о местонахождении мальчика обещано вознаграждение – велосипед, – Печкин загорается идеей непременно измерить рост Дяди Федора, который, согласно описанию, составляет 120 см.
Тем временем в жизни обитателей дома происходит радостное событие: корова Мурка, за которой соседи попросили присмотреть Дядю Федора, Матроскина и Шарика, дает потомство. На свет появляется теленок, которому дают имя Гаврюша.
Печкин, воспользовавшись ночной тишиной, пробирается в дом, чтобы измерить рост мальчика. Однако его замысел нарушается: Гаврюша прогоняет непрошеного гостя, но при этом сам выбегает на улицу и теряется. В процессе поисков теленка Дядя Федор начинает глубже понимать переживания своих родителей, столкнувшихся с его побегом. Теленка удается найти, однако Дядя Федор заболевает.
Наконец родители получают ответ из нужной деревни, расположенной в Можайском районе, и незамедлительно отправляются туда. Мать искренне извиняется перед сыном за то, что не позволила оставить Матроскина, и между ними наступает примирение.
В финале фильма юный герой возвращается в город вместе с родителями. Почтальон Печкин получает обещанный велосипед, а Матроскин и Шарик остаются в Простоквашино, чтобы вести хозяйство.
