該劇是繼央視動畫獨家授權卡通舞臺劇——《新大頭兒子和小頭爸爸：生日的一天》之后，推出的品牌系列劇《新大頭兒子和小頭爸爸》系列第二部。講述了小頭爸爸在一次偶然的機會中，突然發現大頭兒子每天晚上會在自己的房間里，研究制作一個神神秘秘的東西。經過和圍裙媽媽一番探查后，神秘的機器人終被發現了。也從而在大頭兒子的家里引發了一場風波。為了平息這場風波，急中生智的小頭爸爸請來了孩子們的偶像--全能體育明星“啞鈴俠”，也因此，啞鈴俠揭開了大頭兒子的秘密計劃和神秘機器人的真正面紗。 

與此同時，同是為了和大頭兒子一樣的秘密計劃，大頭兒子的兩個小伙伴“地瓜”和“棉花糖”也都各自發明創造了兩個機器人，于是三個孩子圍繞著啞鈴俠、機器人、和他們的神秘計劃展開了一連串精彩而快樂的故事。但是最終的秘密，卻是深深埋藏在地瓜心里的愿望，地瓜的愿望究竟是什么？大頭兒子和啞鈴俠能否幫地瓜實現最大的心愿？那就讓我們走進大頭兒子系列第二部《新大頭兒子和小頭爸爸》之機器人一“看”究竟吧！