阿蓝（Jesse Eisenberg 配音）是一只世界上极其稀少的蓝色金刚鹦鹉，当他还是雏鸟时，便被可鄙的偷猎者从里约的热带丛林中掳到美国。阴差阳错，他变成了小女孩琳达的宠物，从此相伴多年，如今的阿蓝俨然一个养尊处优的宅男，甚至到忘记了如何飞行。某天，名叫图里奥（Rodrigo Santoro 配音）的鸟类学家经过琳达（Leslie Mann 配音）经营的书店，他被阿蓝所震惊，并希望能将阿蓝带回里约，与世上仅存的另外一只雌鸟繁衍后代。
虽然心怀不安，但是考虑到蓝色金刚鹦鹉的命运，琳达还是带着阿蓝来到里约。阿蓝顺利见到了美丽的同类茱儿（Anne Hathaway 配音）。茱儿则一心逃离樊笼，回归大自然。与此同时，一伙犯罪分子盯上了这群可爱的小生灵……

五百年前，由石猴变化而成的齐天大圣孙悟空（张磊 配音）大闹天宫，最终被如来佛祖镇在了五行山下。此去经年，长安城内突然遭到山妖洗劫，童男童女哭声连连，命悬一线。危机时刻，自幼被行脚僧法明（吴文伦 配音）抚养长大的江流儿（林子杰 配音）救下了一个小女孩，结果反遭山妖追杀。经过一番追逐，江流儿无意中解除了孙悟空的封印，齐天大圣自然好好地将山妖教训了一番。因为封印未解开，悟空不得不护送江流儿和小女孩回长安，一路上又遭遇了猪八戒（刘九容 配音）和白龙马。
与此同时，妖王（童自荣 配音）绝不甘心失败，他躲在暗中，等待着给孙悟空一行致命一击的良机……