上一部中，熊猫阿宝（杰克·布莱克 Jack Black 配音）功成名就，成为名震四方的神龙大侠。平日里他随同师傅（达斯汀·霍夫曼 Dustin Hoffman 配音）以及盖世五侠：悍娇虎 （安吉丽娜·朱莉 Angelina Jolie 配音）、猴王（成龙 Jackie Chan 配音）、快螳螂（塞斯·罗根 Seth Rogen 配音）、俏小龙（刘玉玲 Lucy Liu 配音）、灵鹤（大卫·克罗斯 David Cross 配音）在和平谷修炼，生活悠哉游哉。这一日，一伙恶徒闯入山谷抢夺金属材料，在与他们交手中阿宝意外产生幻觉，由此对自己的身世感到疑惑。
另一方面，恶徒的魁首白孔雀沈王爷（加里·奥德曼 Gary Oldman 配音）正图谋闯入王宫，称霸全中国。新的正邪大战拉开序幕，阿宝他们面临前所未有的挑战……

深邃浩瀚的外层空间，蔚蓝的地球与深不见底、漆黑一片的宇宙形成鲜明对比。一台隶属美国的空间站，数名宇航人员正进行太空漫步，对所属卫星做着例行检查。初上太空的瑞安·斯通博士（桑德拉·布洛克 Sandra Bullock 饰）在经验丰富的宇航员麦特·科沃斯基（乔治·克鲁尼 George Clooney 饰）的协助下，有条不紊地检查每一个部件。此次是科沃斯基退休前的最后一次飞行，他幽默风趣地活跃着团队的氛围。就在此时，休士顿总部传来骇人消息，不久前行将废弃俄罗斯卫星被导弹击毁，碎片以超过子弹的速度在地球轨道上散开，并意外击中其他卫星，引起连锁反应制造了新的碎片。
瑞安一行遭到碎片重创，有的同伴不幸身亡，而她和科沃斯基失去控制坠入宇宙深处。幸存的二人不得不彼此信赖，拼尽全力朝向故土前进……