Estamos a mediados del siglo XIX, y Londres está en medio de la Revolución Industrial. Hay una gran excitación y muchas expectativas en el país por la primera Exposición Universal el Crystal Palace. En el corazón de la campiña inglesa, Ray, que ha nacido en una familia de científicos, pasa los días y las noches buscando nuevos inventos. Espera impacientemente la vuelta de su padre Eddie y su abuelo Lloyd que han ido a América para progresar en su investigación.

Un día, Ray recibe una misteriosa bola plateada de su abuelo. De repente, casi como si hubieran estado esperando, aparecen en su casa dos siniestros enviados de la Fundación Ohara buscando la bola. El abuelo de Ray, sin embargo, regresa justo a tiempo para impedir que la pierda, y apremia a Ray para que huya y se la lleve a alguien llamado 'Stephenson'. Ray escapa con la bola en su monociclo hecho en casa, con los hombres de Ohara pisándole los talones con sus feroces máquinas de vapor. Se produce una peligrosa persecución a toda velocidad por carreteras rurales y por una vía de tren. Uno de los hombres en una máquina de vapor se acerca a Ray e intenta atrapar la bola de vapor, pero de repente aparece a toda velocidad un tren de vapor por detrás de ellos, y se estrella contra la máquina de vapor de Ohara, mandándola por los aires. A bordo del tren que ha salvado a Ray de ser capturado está el científico Stephenson y su ayudante David. Pero cuando Ray intenta darle la bola, tal y como le había ordenado su abuelo, una gigantesca garra de hierro rompe la ventana del tren, y Ray, con la bola todavía en sus manos, es capturado con una red que disparan desde un avión.

Secuestran a Ray y es llevado al pabellón de la Fundación Ohara en la Exposición Universal de Londres. Allí, Ray conoce a Scarlett, la mimada y millonaria hija de Ohara, además de Simon, el mayordomo. Justo cuando está empezando a darse cuenta de lo que está pasando, aparece, tras una pesada puerta, a través de una nube de vapor, Eddie, el padre perdido de Ray. Eddie lleva a Ray a un ascensor secreto y éste empieza a comprender la verdadera naturaleza de la bola. Es una bola, que contiene vapor de alta densidad comprimido Ð una fuente de increíble poder. Eddie le cuenta a Ray un secreto aun más sorprendente: el pabellón es en realidad un castillo de vapor, el invento definitivo, y toma todo su gran poder de la bola de vapor.
Ray se convence para ayudar a su padre a completar el castillo de vapor. Scarlett, a quien le gusta Ray, le anima para que abandone el pabellón en secreto una noche para explorar Londres por primera vez. En contra el juicio más acertado de Ray, los dos se encaminan hacia el vacío Crystal Palace, la ubicación principal de la próxima Exposición Universal que pronto será inaugurada al público. Scarlett empieza a bailar en el centro del recibidor de la fantástica exposición disfrutando de la aventura, pero de repente, todo lo que quiere Ray es volver a su casa en Manchester.

De vuelta dentro del pabellón, alguien descubre un escape de presión. Es el día antes de la apertura oficial de la Exposición Universal, y Eddie se está poniendo extremadamente nervioso. Envía a Ray a buscar fugas en la red de tuberías en la cámara de vapor principal e inesperadamente se encuentra con su abuelo. Lloyd había sido encerrado tras enfrentarse a Eddie a causa de sus siniestros planes, pero ha conseguido escapar, y ahora está abriendo todas las válvulas, intentando evitar que el castillo de vapor se complete. Lloyd muestra al asombrado Ray la multitud de armas de vapor alineadas por las paredes del almacén del pabellón y maldice al castillo de vapor como un 'invento del demonio'. Ray pregunta ansioso a su abuelo si quizá su padre ha podido ser engañado por la Fundación Ohara pero Lloyd le dice a Ray que investigue y que saque sus propias conclusiones sobre la situación, además de confiarle la bola de vapor una vez más.

Ray abandona a su padre y a su abuelo enfrentados e intenta abrirse una puerta submarina al Támesis. Pero la pared del pabellón se abre mostrando una máquina de vapor que empieza a perseguir a Ray. Pero cuando todo parece perdido, aparece entre la niebla del río un majestuoso buque de guerra británico. Una vez más, Stephenson y David, que van a bordo del barco, han acudido al rescate. Ray entrega la bola de vapor a Stephenson, pero ha empezado a preguntarse quién debería poseer la bola de vapor teniendo en cuenta el poder inimaginable que contiene. Stephenson le asegura que la misma supervivencia del Imperio Británico depende de que ellos tengan la bola de vapor.

Un barco de vapor lleno de policías británicos se acerca al pabellón Ohara. Desde el bote, los policías pueden ver en el pabellón a los más altos líderes militares de todo el mundo como huéspedes de la Fundación Ohara. Al mismo tiempo también escuchan los cañones desde Crystal Palace anunciando la apertura oficial de la Exposición Universal por la reina Victoria. Los policías rodean el pabellón, pero comienzan a aparecer soldados robóticos de vapor de dentro de sus paredes. Simon, que es más que un mayordomo, acaba de comenzar una aterradora exhibición del poder de las armas de vapor para los invitados reunidos, con la esperanza de venderlas al más alto postor. Para afrontar la amenaza de las armas de los soldados de vapor, empiezan a movilizarse los tanques del Ejército Británico. La Fundación Ohara, por su parte, utiliza sus paracaidistas de vapor y sus hombres rana desde el río Támesis. "¡Ahora las cosas se están calentando!" grita Simon, observando con impaciencia el desarrollo de la batalla, como si se tratase de un espectáculo. Scarlett, sin embargo, se encuentra cara a cara con el cuerpo muerto de uno de los paracaidistas y está furiosa por la insensibilidad de Simon. Pero la batalla continúa extendiéndose y un humo negro se eleva desde el pabellón Ohara cuando las armas de los barcos de guerra británicos empiezan a bombardear. Ray está conmocionado y ofendido por la escala de destrucción, y grita, "¡Esto no es para lo que mi abuelo inventó la bola de vapor!". Aunque David intenta detenerle, él consigue quitar la bola de vapor de uno de los tanques del Ejército Británico y largarse con ella.

La Fundación Ohara se encuentra en peligro de destrucción mientras las bombas caen sobre ella. Desde la sala de control, Eddie envía las últimas instrucciones dirigidas al castillo de vapor hasta la sala del motor central. Pero sólo quedan dos bolas de vapor en la sala del motor. Ray todavía tiene una de ellas. Con una tremenda sacudida de tierra, las paredes del pabellón estallan y se cubren de nubes de vapor que, entonces, revelan una amenazadora máquina negra, la forma auténtica del castillo de vapor.

"¡Va a explotar!" grita Ray cuando lo ve moverse con la presión extremadamente alta. Rápidamente empieza a reparar una de las máquinas voladoras de vapor.

¡Comienzan a salir nubes de vapor del tubo de escape a medida que la máquina voladora se eleva! Para salvar Londres, para salvar a sus amigos, para asegurar el futuro de la humanidadé ¡Ray, el chico de vapor, surca el cielo!