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Phineas e Ferb, mentre collaudano la loro "ornitopulta", finiscono per errore nel laboratorio del dottor Heinz Doofenshmirtz, distruggendo il suo "Altradimensioninator", un apparecchio costruito per entrare in altre dimensioni. Ignorando la natura maligna del dottore lo aiutano a riparare il marchingegno, aprendo un varco verso una dimensione alternativa; nel frattempo, Perry l'ornitorinco, compiendo il suo lavoro da agente segreto, giunge sul posto, ma per evitare di rivelare la sua identità a Phineas e Ferb non fa nulla per impedire ai ragazzi e alla sua nemesi di oltrepassare il varco.

Nella dimensione parallela tutto è invertito: un secondo dottor Doofenshmirtz, conosciuto adesso come il Dottor D, è padrone della città di Danville (in cui è il vero antagonista principale del film); Perry è stato sconfitto da quest'ultimo e trasformato in un cyborg ai suoi comandi e Candace, Isabella, le Fireside Girl, Buford e Baljeet guidano la resistenza. In pericolo, Phineas e Ferb scoprono che Perry è conosciuto anche come l'Agente P. e, credendo che non si fidi di loro, lo lasciano andare quando questi va a consegnarsi. Nel tentativo di tornare a casa, i due ragazzi trovano i loro alter ego che però vivono in maniera passiva non sapendo cosa sia l'estate e la creatività.

Scoperta la sede della resistenza guidata da Candace, riescono ad aprire un altro varco con l'aiuto di Baljeet, ma dall'altra parte la loro Candace lo sfrutta per entrare nella seconda dimensione e il varco si chiude. Scoperto che Perry si è consegnato al Dottor D e a Doofenshmirtz per proteggerli, Phineas chiede alla resistenza di aiutarli a salvarlo; Candace acconsente però solo ad accompagnarli fin dove dovrebbe trovarsi il loro amico, ma il tutto si rivela una trappola preparata dal Dottor D che li intrappola insieme al suo doppio dato che inoltre ha deciso di invadere e conquistare anche la loro dimensione con il suo esercito di robot. Grazie all'intervento della Candace della seconda dimensione, i due ragazzi riescono ad aprire un varco e tornare a casa nella loro dimensione insieme a Perry, Doof e Candace. Ma per l'apertura passano anche lo scienziato e i suoi robot: anche la Danville della prima dimensione rischia così di essere assoggettata alla tirannia del malvagio Dottor D.

Phineas e Ferb decidono allora di riunire tutte le loro invenzioni per contrastare i robot. Alla fine della battaglia coi robot, insieme ai loro amici, riescono a rispedire il Dottor D, nella sua dimensione. Dr. Doofenshmirtz viene arrestato al ritorno della sua dimensione e gli alter ego di Phineas e Ferb possono riabbracciare il loro Perry mentre Candace consiglia alla sua alter ego di dedicarsi adesso al Jeremy Johnson della sua dimensione.

Danville è salva ma resta un problema: Perry, avendo rivelato la sua identità segreta, sarà costretto ad allontanarsi da Phineas e Ferb. Carl, però, ha un'idea: utilizzando una vecchia invenzione del Dottor Doofenshmirtz potrAnno cancellare la memoria a tutti ed i ragazzi accettano di dimenticare pur di poter restare con Perry. Un attimo prima che ciò avvenga, Isabella, che non vedeva l'ora di farlo, ne approfitta per baciare Phineas. Le vite dei ragazzi ritornano quindi a scorrere normalmente.