Профессор Селезнёв, от имени которого ведётся повествование, обещал Алисе, что возьмет её в свою экспедицию по поиску редких инопланетных животных, если она будет хорошо учиться и вести себя. Алиса нарушает это обещание — теряет гигантский золотой самородок и пытается провезти «зайцами» весь свой класс на Луну. Но отец прощает дочь, потому что за неё заступились друзья.
Корабль «Пегас» под управлением капитана Полоскова и бортмеханика Зелёного отправляется в полет. Громозека, друг Селезнёва, советует героям посетить музей на планете Трёх Капитанов — великих героев, избороздивших весь космос. Но директор музея доктор Верховцев относится к гостям с подозрением и не может сообщить ничего дельного. Зоопарк, тем временем, пополняется гигантскими головастиками, из которых вылупляются крошечные лягушки, и ходячими поющими кустиками. А на Пустой планете герои подбирают животных-трансформеров, меняющих облик.
Центральный пункт путешествия — планета Блук, где находится огромный зоологический рынок. Местная полиция разыскивает человека, похожего на Верховцева, и герои замечают его то тут, то там. На базаре они приобретают индикатора — существо, меняющее цвет от настроения, а карлик-мошенник дарит Алисе шапку-невидимку. Но главное — им дарят Говоруна, птицу, таинственно вымершую в последнее время. Верховцев и странный человек по имени Весельчак У пытаются купить или даже отобрать у них птицу. Но биологи отказываются, и не зря: выясняется, что птица принадлежала Второму Капитану. Второй Капитан улетел в другую галактику и пропал много лет назад, но птица знает его координаты: это система Медузы.
По пути в систему Медузы экипаж «Пегаса» посещает планету Шешинеру, где все путешествуют во времени, спасает роботов с планеты Шелезяка, которым кто-то испортил масло, и обнаруживают планету, полную иллюзий и отражений их мыслей. Наконец, сев на третьей планете Медузы, они вскоре натыкаются на следы «Синей Чайки» , корабля Второго Капитана. С помощью цветов-зеркал, запоминающих все, что видели, герои узнают, что на планете до них были Верховцев и Весельчак У.
При попытке поменять стоянку корабля, «Пегас» проваливается в подземную ловушку. Весь экипаж попадает в плен к пиратам, но Алисе удается сбежать благодаря шапке-невидимке. Она выбирается на поверхность, где ее встречают Первый Капитан, и … настоящий Верховцев. Пираты тем временем шантажируют Второго Капитана. Тот вступает в бой, на помощь приходит Первый капитан с друзьями. Пираты побеждены, самозванец-«Верховцев» — пират-хамелеон Крыс — разоблачён. В подземелье герои обнаруживают еще и тяжело раненого Третьего Капитана. А потом на планету садится жена Первого Капитана, которая поймала живую туманность. Весельчаку У удается сбежать, но он попадает в лапы гигантской птицы. Герои расстаются, обещая в будущем вместе снова слетать к звёздам.