地球并不只是人类的天下，其实有1500名外星人生活中我们当中，而星际移民局则处理和外星人相关的事情。
纽约普通警察爱德华兹（威尔·史密斯 饰）因缘际会之下加入了这一组织，成为MIB的一员，代号J，从此没有名字、没有身份，成为特警K（汤姆·李·琼斯 饰）的搭档。
J应对的 第一起事件就是虫族的入侵。亚基伦王子罗斯伯在地球被虫族杀害，而他随身携带的“银河系”——宇宙次原子能源的最好来源也失踪了，若虫族找到，将给亚基伦人带来毁灭性的打击；亚基伦人发出最后通牒，如果地球人不能在一个小时之内交出“银河系”，他们就摧毁地球。
为了地球的安全，K和J不得不挺身而出。

地球的上空突然出现了十二架贝壳状的不明飞行物，悬浮在十二个不同的国家的上空，外星人向人类发出了讯号，但人类却并不能够解读。美国军方找到了语言学家路易斯（艾米·亚当斯 Amy Adams 饰）和物理学家伊恩（杰瑞米·雷纳 Jeremy Renner 饰），希望两人能够合作破解外星人的语言之谜。经过数次的接触，路易斯发现外星人使用了一种极为特殊的圆环状的文字，并逐渐了解了其中的奥妙。由于一直无法确定外星人来到地球的真正目的，中国、俄罗斯等四国决定对外星人发起进攻，美方亦决定放弃研究将全部人员撤离，在这个节骨眼上，路易斯终于明白了外星人的意图，利用外星人赋予她的特殊的“武器”，路易斯以一人之力改变了未来。

战斗中负伤而下身瘫痪的前海军战士杰克·萨利（萨姆·沃辛顿 Sam Worthington 饰）决定替死去的同胞哥哥来到潘多拉星操纵格蕾丝博士（西格妮·韦弗 Sigourney Weaver 饰）用人类基因与当地纳美部族基因结合创造出的 “阿凡达” 混血生物。杰克的目的是打入纳美部落，外交说服他们自愿离开世代居住的家园，从而SecFor公司可砍伐殆尽该地区的原始森林，开采地下昂贵的“不可得”矿。在探索潘多拉星的过程中，杰克遇到了纳美部落的公主娜蒂瑞（佐伊·索尔达娜 Zoe Saldana 饰），向她学习了纳美人的生存技能与对待自然的态度。与此同时，SecFor 公司的经理和军方代表上校迈尔斯（史蒂芬·朗 Stephen Lang 饰）逐渐丧失耐心，决定诉诸武力驱赶纳美人……