一場大火吞奪走小男孩盧娃子（原野大地 飾演）的家和父母，成為孤兒的他被山民陳伯（張琪 飾演）收養，幫忙簡單家務和上山砍柴。某日清晨他們看見溪河對岸有大貓熊媽媽在大嚼竹葉，身旁有兩隻幼仔打滾嬉戲。
當時人工繁殖大貓熊的技術尚未出現，研究中心都向山民購買大貓熊幼仔，捕捉這奇特的生物成為山民重要金錢收入來源。
陳伯急忙下山去研究中心通報，來了研究員小馮，觀察跟蹤後決定帶走一隻大貓熊幼仔，在他們的資料中記載，大貓熊媽媽不可能同時哺育兩隻幼仔。
小貓熊被陳伯的兩隻大狼狗追趕，一路奔跑，不小心掉落溪流，上岸後又遇猴群驅趕，躲在樹上，雷擊，大雨，小貓熊沒抓穩樹幹從高處墜落，昏過去。
第二天早上盧娃子給陳伯和小馮做早飯，聽他們談起不知小貓熊能不能熬過整夜大雨，那麼長時間沒吃東西，怕有生命危險，得趕緊出門找。
上山砍柴的盧娃子發現昏迷的小貓熊，將牠藏在廢棄小屋裡，給予毛毯保暖，並向老天祈求，小貓熊不能死，孤獨的他希望跟小貓熊做好朋友。
小貓熊醒過來後，盧娃子為牠取名胖胖，為牠準備嫩竹葉，煮紅薯，燉土豆（馬鈴薯），甚至用珍貴的大白米熬了粥，胖胖看都不看一眼。
焦急的盧娃子想起胖胖還是小寶寶，應該要喝奶，就用氂牛奶加搗爛的嫩竹葉端給胖胖喝。胖胖很會撒嬌，纏著盧娃子草原追逐翻滾，感情親暱。
幾天後，陳伯和小馮從深山回來，兩人不解小貓熊居然行蹤不明，無意中陳伯發現盧娃子和胖胖睡在一起，他明白是盧娃子藏起小貓熊，偷偷告訴小馮，小貓熊被關進籠子帶走。
陳伯從盧娃子的眼中看出不捨和氣憤，藉酒足飯飽說出大貓熊媽媽仍在溪河對岸找尋這隻幼仔，小馮否定這說法，據他們研究幼仔失蹤兩天，大貓熊媽媽就會捨棄那孩子。
半夜，盧娃子打開鐵籠，要帶胖胖回媽媽的身邊。走夜路非常辛苦，又擔心陳伯和小馮及大狼狗的追趕，胖胖很重，盧娃子腳步踉蹌摔倒，他要胖胖快走，胖胖依戀他，不肯走，連拖帶抱好不容易渡過溪水，已經可以看見大貓熊媽媽和另一隻幼熊，胖胖卻不肯過去，為了不讓研究員把胖胖抓走，盧娃子大哭以石頭擊起大水花嚇唬胖胖，趕走牠。胖胖仍不斷回頭看嚎啕大哭的盧娃子，大貓熊媽媽發出呼喚聲，胖胖在盧娃子快走快走聲音中向媽媽奔去。
在溪邊的陳伯和小馮看著這一幕，呆住了，陳伯問：你還想要這隻小貓熊嗎？小馮回：不要了，牠還是跟媽媽在一起好。你再給我找別隻吧。
迪士尼影片公司發行的《貓熊團圓路》是四川臥龍大貓熊自然保護區，成立以來首度全力協助監製的影片。
在接近拍攝完成時遭遇汶川大地震，臥龍保護區嚴重受創，美麗的生態環境不復以往。全片也是唯一完整紀錄臥龍園區內四姑娘山，貓熊科學研究中心美景的影片。另外，為紀念汶川大地震，導演臨時更改劇本，將整部影片以對災區的重創和母貓熊「毛毛」的不幸罹難作為影片的致敬收尾，深具社會教育意義。
全片共動用6隻半歲大的小貓熊演出主角「胖胖」，而母貓熊則分別由「毛毛」和「小小」輪替演出。
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