Приключения верных друзей собак продолжаются в мультфильме «Звездные собаки: Белка и Стрелка». На этот раз они смогут раскрыть великую тайну, а пока на Земле полным ходом идет освоение космоса. В это время Белка и Стрелка пользуются популярностью во всем мире. С их участием проходят выставки и театральные представления на космическую тематику. Но очень быстро эта жизнь перестает устраивать знаменитых собак, а Белка еще сильнее начинает скучать по своему сыну Пушку, который был отправлен с заданием в США.
Параллельно с этим на планете происходят странные явления – бесследно исчезают ценные для человечества объекты. Такая же участь ждала и первый советский луноход, пилотом которого был пес Казбек. Советские власти расценили исчезновение лунохода как предательство Казбека в пользу США, в результате чего на его поиски были отправлены черепахи-космонавты. В свою очередь американцы были полностью уверены в том, что как раз советский луноход каким-то образом был связан с исчезновениями на Земле…
Белка и Стрелка стали свидетелями исчезновения телефонной будки вместе с их другом крысой Веней. Собаки также узнали о том, что их друг Казбек в серьёзной опасности и ему грозит обвинение в измене, поэтому решают самостоятельно отправиться на луну и наконец-то разобраться во всем.