A história da série gira em torno de cinco jovens que sobrevivem a um naufrágio e são levados a uma ilha desconhecida, habitada por criaturas fantásticas e refúgio de mistérios ancestrais. Sem ter como sair dela, Gigante (Paulo Nigro), Micróbio (Rafael Chagas), Rouxinol (Greta Eleftheriou), Majestade (Thuanny Costa) e Raio (Abayomi De Oliveira), com poucos resquícios de sua “civilização”, fazem metaforicamente o trajeto percorrido pela humanidade desde sua pré-história até os dias de hoje.

Eles servem de cobaias para Nefasto (Ernani Moraes), o vilão da série, que é um acidente científico com tamanho de um ser humano adulto. Nefasto vive numa torre, de onde controla tudo que acontece na Ilha, através de monitores. Com a ajuda de seus auxiliares Zabumba (um zangão-homem) e Polca (uma libélula-mulher), Nefasto pretende usar os cinco jovens para estudar a melhor maneira para levar a humanidade a se auto-destruir.

A ilha é habitada por criaturas fascinantes, como os Coisos (Henrique Stroeter e Keila Bueno), residentes em uma caverna, eles vivem querendo saber como são as coisas, descobrindo o que são estas coisas, como elas coiseiam, e quem coisou primeiro a coisa.

Outro personagem de destaque em Ilha Rá Tim Bum é Hipácia (Graziella Moretto), uma feiticeira egípcia de mais de 2.000 anos de idade que serve de guru e protetora dos garotos. Ela viajou pelo mundo, estudou muito e sempre quis conhecer um pouco de tudo. Agora, Hipácia tem muitas histórias para contar, como a mitologia antiga, como o papel e os números se desenvolveram, ou ainda falar sobre a matemática.

Na luta contra o Nefasto as cinco amigos contam com o apoio de Solek (Luiz De Abreu), um lagarto sapiens que  depende da natureza para sobreviver e por isso está sempre cuidando dela; e  Nhã-Nhã-Nhã (Angela Dip),  uma aranha gigante que vive na grande teia da Ilha Rá-Tim-Bum. Ela veio da África e trouxe todas as histórias do mundo. Quem passa por sua teia não escapa e descobre que Nhã-nhã-nhã adora contar histórias.

O seriado ainda era recheado de bonecos como Suzana (Magda Crudelli), Coisinho (Hugo Picchi), Vrunja (Neusa De Souza), Bum (manipulado por Eduardo Alves e com voz de Bukassa Kabengele), Tim (manipulado por Neusa De Souza com voz de Fernanda Takai) e Rá (manipulado por Hugo Picchi com voz de Pedro Mariano).