调皮的托马斯闯了祸，胖总管罚它来到多多岛的另一边，参与建造新的火车支线，在那里和托马斯一起工作的，是泌尿莱恩的蒸汽火车头。 　　为了显示自己的实力，托马斯卯足了劲儿埋头猛干，却在意外之中落入了地洞里，并误打误撞的发现了传说中消失已久的额海盗船。在海盗船上，等待着托马斯的是经验丰富的老水手约翰以及活泼聪明的帆船斯基夫，他们结成盟友，一起踏上了冒险的旅途，解开了隐藏了多年的多多岛宝藏之谜，收获了财富和友情。

James常常向Thomas自夸是肥控制员最爱的火车头，所以常常被分配到较好的工作。由于Henry发生意外，不能如期运送卡车到对岸，James便取笑地说，他会代替Henry到对岸大冒险。于是Thomas翌日便很早起床私自带着卡车出发到对岸。肥控制员并不介意，高兴地重新改组工作，让James在Thomas的支线工作。而James有点不高兴。 　　可是，运送卡车的工作未如Thomas所想般简单，他更在对岸迷路了。在旅途上，他不但遇到一些他从未见过的实验火车头，甚至被困在钢铁厂里工作。由于与Thomas失去了联络，James便出发对岸尝试寻找Thomas。但Thomas在James抵达前已顺利逃出，反而James却被困在钢铁厂里！现在是Thomas及实验火车头的抉择，究竟争宠还是友谊重要呢？

托马斯（约翰·海斯勒 John Hasler 配音）想要参加了不起的火车比赛，然而，他的这一决定却遭到了其他火车头们的嘲笑。他们觉得托马斯太普通了，根本比不过那些高大威猛或者漂亮可爱的火车头们。 为了在比赛中胜出，托马斯决定来一番自我改造。他想要通过改变身心来获得更快的速度，然而这一计划最终以失败告终。之后，托马斯又开始在装饰上花心思，企图靠外表取胜，但这显然并不是他的风格。经历了一连串的挫折后，托马斯终于明白，只有坚持自我树立自信，才能够表现出他最好的一面。信心满满的托马斯没有做出任何改变便踏上了参赛的旅途。

托马斯离开多多岛是为了实现他看到世界的梦想。这个英勇的任务带领托马斯穿越沙漠、丛林和危险的山脉，穿越五大洲，看到他从未见过的景象。

一辆来自澳洲的淘气小赛车艾斯，参加世界巡回比赛时路过了多多岛。从未离开过多多岛的小火车托马斯听到艾斯游历世界的见闻后，也决定展开自己第一次的全球大冒险！他和新的朋友——来自非洲肯尼亚的女性火车妮亚，一起越过沙漠、丛林还有危险的高山，横跨非洲、南美洲、中美洲、北美洲和亚洲等五大洲，体验前所未见的壮丽景色和异国风情，用友谊、智慧与勇气写下了属于自己成长冒险之旅。