Действие происходит в 1960 году в городке у космодрома Байконур. Десятилетний Миша, мечтающий о космосе, в свой день рождения находит бездомную собаку и называет ее Белкой. Дружба мальчика и собаки подвергается испытанию, когда пса забирают для подготовки к экспериментальному космическому полету.
Фильм основан на подлинных исторических событиях: Белка и Стрелка – реальные собаки, которые 19 августа 1960 года совершили полет на корабле «Спутник-5» и стали первыми живыми существами, вернувшимися из космоса живыми.