宅父失踪后，小宅根据宅父留下的时光机设计图想设计时光机，努力了很多次后，才发现做好的时光机只能穿越到时光机存在的时候。

故事承接上一季，未来世界的大坏蛋柠檬博士颠覆时空，破坏各种影响世界历史的关键时刻。为了守护历史保卫来之不易的现代世界。凯奇、闪电猫、艾尔、嘟嘟公主组化身超时空奇兵。为了阻止柠檬博士，特工们齐心协力，凭借勇敢与智慧，开始了一场比以往更艰巨，规模也更大的时空守护战。

奇趣特工队一如既往保护着小镇和平，然而来自未来的少女青青向特工们传达了一件紧急状况。一名未来世界的坏蛋柠檬博士，企图穿越时空捣乱破坏所有关键时刻。为了保护世界，奇趣特工队化身超时空奇兵，回到不同地域不同时代的过去，并和各个时代的伟人名人并肩合作，展开了一场了解过去，守护过去，拯救过去的时空大作战。

坐落于上海陆家嘴的时空旅行社即将正式开业了。作为唯一一家有资质进行穿越时空旅行的机构，为了充分保证游客的安全，社长时太太准备了一次内部的试运行。他们选择了盛唐时期的长安作为目的地。没想到第一次旅行就出了岔子，他们因为一匹发了疯的骆驼，把长安的集市闹得天翻地覆，更糟糕的是，还打翻了进贡的荔枝马队。打翻贡品可不是开玩笑的。在仓皇逃跑中，诸葛天晓被遗落在了盛唐。诸葛天晓被怒气冲冲的唐朝居民抓住，正好碰上外出巡游的唐玄宗李隆基。诸葛天晓凭借自己的聪明智慧，假称自己是算命先生，博取了唐玄宗的欣赏，带入了皇宫。

秦家二千金秦菲因为心爱之人葬身火海，悲痛欲绝，黯然伤神衣带渐宽。父亲秦鼎天，长姐秦岚二人看在眼里急在心上，就在这多事之秋，政敌，上官梓携独子上官宏带着圣旨前来提亲。秦家犹恐此事刺激秦菲，随外出散心。就在姐妹二人来到月老庙焚香祈福时，一小道前来邀请秦菲。回到家中秦菲看着手中的两个物件很是疑惑。庙祝老道无缘无故赠送自己两件法器。紫金铃和三生镜。还故作高深。称此两法器能穿越时空唤醒前世记忆。就在秦菲摇摆不定时，白驹过隙，婚期不日而来。面对着父亲的压力，姐姐的无奈。秦菲终于痛下决心。在大婚当日，准备以身殉葬。奈何

为了阻止扰乱各个“关键时刻”达成自己阴谋的柠檬博士。凯奇、闪电猫、艾尔、嘟嘟公主，四名超能小英雄组成的奇趣特工队与青青一同奋战。他们化身超时空奇兵，并与不同时代的伟人名人一起齐心协力，一次又一次的挫败柠檬博士的计划。然而就在这时，一直协助奇趣特工的青青却被未来世界的超级特工以扰乱时空为名通缉。奇趣特工队在解决时空奇点之际，需要同时找出真相，拯救自己的伙伴。一场事关全时空的最终决战，即将打响。