Di Negeri Impian, dunia ajaib tempat mimpi dibuat, hiduplah Lokomotif Kecil yang bercita-cita menjadi Pengangkut Mimpi. Tugas itu sangat bergengsi karena bertanggung jawab mengantarkan harapan dan mimpi ke Dunia Nyata. Dengan dukungan Rusty, lokomotif tua yang bijaksana, ia terus percaya bahwa dirinya mampu meraih hal besar.

Di Dunia Nyata, seorang anak bernama Richard kabur ke taman setelah jam saku milik kakeknya dicuri dua perundung sekolah, Scott dan Stretch. Tanpa sadar, ia masuk ke dalam kereta yang ternyata adalah Rusty dan ikut terbawa ke Negeri Impian. Kedatangannya membuat terowongan penghubung dua dunia runtuh, sehingga Richard terjebak di sana.

Untuk memperbaiki keadaan, Lokomotif Kecil menawarkan diri mengantar Richard pulang lewat jalur lama yang melintasi Gunung Impian. Bersama Richard dan rombongan mainan dari kereta ulang tahun yang mogok, mereka memulai perjalanan berbahaya melewati rel tua, jembatan rapuh, dan tanjakan curam.

Di tengah perjalanan, mereka dihadang Kereta Mimpi Buruk, lokomotif jahat yang menculik Richard dan para mainan. Setelah sempat terdampar karena kehabisan air, Lokomotif Kecil bangkit lagi dengan bantuan Ace si pesawat. Ia kemudian mengejar musuhnya dan berhasil menyelamatkan semua temannya.

Dengan tekad kuat, Lokomotif Kecil berhasil mencapai puncak Gunung Impian dan membuka portal menuju Dunia Nyata. Richard kembali ke sekolah tepat waktu, lalu berani melawan para perundung dan merebut kembali jam saku kakeknya.

Sebagai hadiah atas keberaniannya, Lokomotif Kecil resmi diangkat menjadi Pengangkut Mimpi. Rusty mendapat kehormatan besar, para mainan menemukan rumah baru, dan Negeri Impian kembali penuh harapan.