Film animasi sci-fi keluarga Mars Needs Moms menghadirkan petualangan emosional tentang seorang anak yang baru menyadari arti kasih ibu setelah hampir kehilangannya.

Kisah dimulai saat peradaban Mars yang canggih diam-diam mengamati Bumi. Mereka tertarik pada sosok ibu manusia dan memutuskan menculik ibu Milo untuk "mengekstrak" sifat keibuan demi menciptakan robot pengasuh generasi baru.

Di Bumi, Milo sempat kesal pada ibunya karena hal sepele dan mengatakan hidupnya akan lebih baik tanpa sang ibu. Namun penyesalan datang terlambat saat ia melihat ibunya diculik makhluk Mars. Tanpa pikir panjang, Milo menyusup ke pesawat luar angkasa dan ikut terbawa ke Mars.

Di sana, Milo bertemu Gribble, manusia yang ternyata juga korban penculikan Mars sejak kecil. Gribble mengungkap bahwa ibu Milo akan dieksekusi saat proses ekstraksi dilakukan. Dalam pelariannya, Milo juga bertemu Ki, salah satu pengawas Mars yang mulai mempertanyakan sistem dingin tanpa kasih sayang di planet tersebut.

Petualangan semakin menegangkan saat Milo, Gribble, dan Ki bekerja sama menyelamatkan ibu Milo sebelum matahari terbit. Mereka berhasil menggagalkan proses ekstraksi dan memicu kekacauan di Mars, hingga akhirnya terungkap bahwa masyarakat Mars dulunya juga mengenal keluarga dan cinta.

Puncaknya, saat mencoba kabur, helm oksigen Milo pecah. Sang ibu tanpa ragu memberikan helmnya sendiri, mengorbankan nyawanya demi menyelamatkan anaknya. Momen itu membuat bangsa Mars untuk pertama kalinya menyaksikan arti cinta seorang ibu. Beruntung, Gribble berhasil menyelamatkan ibu Milo dengan helm peninggalan ibunya sendiri.

Setelah semuanya usai, Milo meminta maaf dan berdamai dengan ibunya. Sistem kehidupan di Mars pun berubah, kini lebih mengedepankan keluarga dan kasih sayang. Milo dan ibunya kembali ke Bumi, sementara Gribble memilih tetap di Mars bersama Ki untuk memulai hidup baru.