Alur cerita
Seorang pria berbaju hitam membawa sangkar kecil dari Uni Soviet kepada Presiden AS Kennedy.Di dalam kandang ada hadiah dari Krushchev sampai ke Caroline Kennedy, seekor anak anjing bernama Pushok. Dia menemukan hewan peliharaan Kennedy lainnya dan menceritakan kisahnya kepada mereka.
Tiga tahun sebelumnya, di Moskow tahun 1960, seorang pria asing muncul, yang menangkap anjing jalanan dan membawanya pergi. Suatu kali dia mencoba menangkap seekor anjing bernama Strelka, tapi dia kabur dengan temannya, tikus Venya. Kemudian, Strelka pergi mencari tulang dan Venya pergi ke telepon umum untuk mendapatkan uang.
Sementara itu, Strelka sedang lari dari pria asing itu, di sirkus lokal, ada situasi buruk di sirkus: Vova, seekor babi, menjadi terlalu gemuk untuk terbang dengan roket, dan Belka, seekor anjing, terbang sebagai gantinya. Tapi Belka kehilangan kendali atas roketnya dan terbang menjauh dari sirkus. Setelah beberapa waktu dia menabrak telepon umum tempat Venya si Tikus sedang mencari koin. Tabrakan itu merusak telepon dan Venya mendapatkan semua uang dari telepon yang rusak itu. Setelah kecelakaan itu Belka, Strelka dan Venya bertemu dengan tiga anjing jalanan lainnya: bulldog bernama Bula, pesek bernama Mula dan anjing kampung bernama Pirate. Belka dan Strelka lari dari anjing jalanan lainnya tapi keesokan paginya ketiganya ditangkap oleh pria asing itu.
Setelah ditangkap, anjing-anjing itu dibawa ke dalam kereta ke Baikonur di mana mereka berakhir di pusat pelatihan program luar angkasa Soviet. Di sana mereka bertemu dengan pelatih mereka, Kazbek, yang harus memilih dua anjing terbaik dari grup. Sebulan sebelum tanggal peluncuran, kelompok yang dipilih adalah Bula dan Mula, tapi pada hari latihan terakhir Venya menjadi yang pertama, dengan Belka dan Strelka di posisi ke-2 dan ke-3. Belka dan Strelka perlu terbang bersama Venya, karena dia yang pertama dan rombongan penerbang telah dipilih.
Di akhir penerbangan mereka, Strelka ingin tinggal di luar angkasa,karena ibunya pernah mengatakan bahwa ayahnya, Sirius, tinggal di antara bintang-bintang. Kazbek muncul setelah bersembunyi dalam penerbangan mereka, dan mencoba meyakinkan Strelka untuk berbalik. Mereka melihat formasi benda terbang ke arah mereka, memercayai mereka sebagai Anjing Luar Angkasa, tetapi ternyata mereka adalah meteorit, mereka terkena hujan meteorit dan roket terbakar karena kerusakan. Strelka, Venya dan Kazbek pergi ke belakang roket untuk memadamkan api dengan formula makan mereka seperti air, Belka takut tetapi masih melompat melalui cincin api ke kursi pengemudi untuk memutar roket kembali ke Bumi. Strelka memadamkan api, dan Kazbek mengaku cintanya pada Belka. Anjing-anjing itu melihat berbagai konstelasi dan Strelka memberi hormat kepada Sirius sebagai pengganti ayahnya. Kru penerbangan anjing berhasil kembali ke Bumi hidup-hidup.
Strelka, Belka dan Venya menerima sambutan pahlawan, dan ketahuan bahwa Kazbek bersembunyi di dalam penerbangan, tetapi Ilmuwan yang bertanggung jawab atas proyek tersebut mengatakan kepadanya bahwa Propaganda Soviet tidak akan membiarkan dunia mengetahui bahwa ada penumpang gelap yang telah terbang.
Hewan peliharaan Kennedy lainnya, yang dipimpin oleh kucing itu, tidak memercayai cerita Pushok, kecuali seekor anjing Prancis yang melihat Cosmonaut Patch di bantal Pushok. Dia kemudian memintanya untuk menceritakan apa yang terjadi setelah itu. Strelka kembali untuk tinggal bersama ibunya. Venya mengadakan konferensi, menceritakan kisahnya kepada siapa pun yang mau mendengarkannya. Belka kembali ke sirkusnya sebagai bintang utama, menerbangkan roket yang diperbaiki dari sebelumnya di film. Kazbek hidup bersama dengan kekasihnya Belka, dan semua orang hidup bahagia selamanya.
Selama kredit akhir, rekaman arsip kehidupan nyata dari Program Luar Angkasa Soviet dan anjing luar angkasa Soviet ditampilkan.
