灰太狼受神秘人袭击后被抓走，小羊们根据蛛丝马迹将他寻回，却发现灰太狼眼神变得空洞呆滞，疑似大脑受到损伤。为解救同伴，喜羊羊带着伙伴们借助灰太狼发明的“脑波机”进入到灰太狼的大脑世界，他们在脑海里一个个光怪陆离的区域中历险，同时也认识到很多新的朋友，帮助他们探求真相找寻让灰太狼恢复正常的方法。大家历尽艰险眼看真相快要浮出水面了，不料灰太狼突然陷入昏迷，更大的危机正步步逼近……
刘思岑 贺文潇 刘琮 刘晴 刘猛 李姗姗 何冠男 张雨濛 谷非凡 郭浩然 马宇欣 田丰恺 敖磊 王辰驿 林昭言 张思齐 刘川和 刘简菱 石头 杨默 李靖 李昊甲
一宫丽 铃木崚汰 山根绮 濑户桃子 叶山翔太 熊谷健太郎 小野贤章 津田健次郎
石谷春贵 石见舞菜香 铃代纱弓 长谷川育美
伊恩·卡多尼 哈利·贝尔登 萨拉·乔克 克里斯·帕内尔 斯宾瑟·格拉默
未知
武内骏辅 山下大辉 市道真央
石谷春贵 若山诗音 永濑安奈 结川麻希 白浜灯奈乃 伊濑茉莉也 齐藤壮马 土屋神叶 白石晴香 祐仙勇
内详
小林裕介 富田美忧 宫本侑芽 村濑步 大桥彩香 堀江瞬 佐伯伊织 白井悠介 内田彩 高桥英则 市道真央 山下诚一郎 田丸笃志 鬼头明里
堀江瞬 雨宫天 悠木碧 东山奈央 高桥李依 芹泽优
千叶翔也 内山夕实 石川由依 关根明良 兴津和幸 天海由梨奈 游佐浩二
演员：一宫丽 铃木崚汰 山根绮 濑户桃子 叶山翔太 熊谷健太郎 小野贤章 津田健次郎
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演员：
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演员：坂泰斗 石见舞菜香 白石晴香 八代拓
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