Профессор Селезнев пообещал Алисе, что после окончания второго класса возьмет её с собой в «летнюю экспедицию» по поиску редких животных на других планетах. Через несколько недель, после тщательной подготовки, команда космического корабля «Пегаса» - капитан Полосков, механик Зеленый и профессор Селезнев с дочерью - была готова к полёту.
На Луне они встретили своего друга Громозеку, который, узнав о целях их путешествия, рассказал о «планете имени Трех Капитанов». По его словам, капитаны столкнулись с множеством удивительных и редких зверей и птиц, и в их дневниках можно было найти ценную информацию. Громозека порекомендовал им отправиться на эту планету и встретиться с доктором Верховцевым, который знал о капитанах больше всех.
«Пегас» направился к планете Блук, известной своим рынком, где собирались коллекционеры со всей Галактики. Здесь профессор приобрёл невидимых рыб, индикатор, меняющий цвет в зависимости от настроения, и множество уникальных животных. Однако самым важным приобретением стала говорящая птица, принадлежащая одному из трех великих капитанов. Благодаря ей путешественники узнали, что один из капитанов попал в бедственное положение и требует помощи. Говорун дал им точные указания: «Направляйтесь к системе Медузы». Тем временем доктор Верховцев и его знакомый, толстяк по именем Весельчак У, начали охоту за редкой птицей, преследуя свои корыстные интересы.
Капитан Полосков решил помочь капитану, хотя Зеленый предостерегал о возможных неприятностях. По пути они посетили планету Шелезяку, откуда поступил сигнал бедствия. Выяснилось, что ее жители – роботы – страдают от ужасной эпидемии, которая парализовала их. Роботы однажды нашли раненого говоруна и помогли ему, поставив протез вместо сломанного крыла. Узнав об этом, похожий на доктора Верховцева человек отомстил, подсыпав в смазку алмазную крошку. Оставив роботам бочку с чистым маслом, путешественники направились к системе Медуза.
На третьей планете «Пегас» попал в ловушку космических пиратов. В подземном бункере они увидели «Синюю Чайку» – корабль пропавшего Второго капитана, который не покидал его на протяжении четырех лет. В это время появились пираты – Верховцев и Весельчак У, которые угрожали Второму капитану, что в случае отказа от предоставления «формулы галактия – абсолютного топлива», они будут жестоко мучить путешественников. Капитан начал стрельбу по пиратам, и неожиданно пришла помощь от Первого капитана и настоящего доктора Верховцева, которых привела Алиса.
Капитанам удалось справиться с пиратами, среди которых оказался подлый Крыс, замаскированный под Верховцева. В подземной тюрьме друзья нашли еле живого Третьего капитана. Когда все опасности остались позади, Алиса сообщила своему отцу, что капитаны пообещали взять её с собой «в другую галактику», когда она немного подрастет.