Film Dolittle dibuka dengan sebuah eksposisi yang menjelaskan nasib Doctor Dolittle (Robert Downey Jr.) sebelum cerita utama bergulir.
John Dolittle menikah dengan seorang petualang paling ulung di dunia, Lily Dolittle (Kasia Smutniak). Sayang dalam sebuah perjalanan, kapal Lily tergulung badai dan menghilang. Dolittle yang mendengar kabar tersebut dari Polynesia (Emma Thompson) sang burung Macaw, sangat sedih dan terpukul. Sejak saat itu Dolittle tidak pernah membuka diri lagi pada manusia dan dunia.
Pada kisah lainnya, Tommy Stubbins (Harry Collett) sang anak tukang sepatu, diajari menembak oleh ayahnya. Stubbins bukanlah anak kecil biasa yang suka menembak hewan sembarangan. Dia adalah anak yang sangat menyukai hewan dan tidak berniat melukai mereka. Sayang, dalam perburuan tersebut peluru Stubbin tidak sengaja mengenai seekor tupai.
Merasa sangat bersalah karena perbuatannya, Stubbin memungut tupai tersebut dan berusaha mengobatinya. Polynesia yang berada di dekat lokasi, mengajak Stubbin untuk masuk ke halaman rumah Doctor Dolittle. Di sana dia bertemu dengan Lady Rose (Carmel Laniado).
Ternyata Lady Rose membaca berita yang kurang mengenakkan bagi Dolittle. Rose bercerita kalau ratu Victoria (Jessie Buckley) sakit keras. Kalau sang ratu sampai meninggal, maka lahan yang digunakan oleh Dolittle akan disita oleh kerajaan Inggris dan dijadikan tanah negara.
Mendengar kalau rumahnya terancam, mau tidak mau Dolittle harus bertemu sang ratu dan mengobatinya. Dalam pertemuan singkat tersebut, Jip (Tom Holland) si anjing mencium kalau sang ratu diracun dengan Nightshade yang berasal dari bagian Sumatra Indonesia, dan untuk mengobatinya Dolittle harus mencari buah Eden.
Dari sini petualangan Doctor Dolittle dimulai. Tapi sayangnya Stubbins tidak boleh ikut dan terpaksa tinggal di rumah, hingga akhirnya Polynesia, Betsy (Selena Gomez), dan Tutu (Marion Cotillard) menjemputnya dan menyuruhnya mengejar kapal milik Dolittle yang bersandar di pelabuhan.