在正式获得升仙资格前，熊猫玲玲被派往花脖子山做卧底，干扰这个妖怪山寨吃唐僧肉的计划。鸡血军师鼹师配合玲玲竟然阴差阳错地直接把妖寨做大做强，发展成了知名旅游风景区！孙悟空逼近的脚步，不受控的局面，事情渐渐朝着意想不到的方向发展……

历经千辛万苦，唐僧（吴亦凡 饰）、孙悟空（林更新 饰）、猪八戒（杨一威 饰）、沙僧（巴特尔 饰）这支取经团队朝着最终的目标持续前进，然而这一过程中他们不仅忍饥挨饿，还矛盾频生，似乎随时都有分裂的危险。尤其法师念念不忘死去的段小姐（舒淇 饰），而这件事也成为他和悟空之间矛盾和争吵的根源。在摆脱了蜘蛛精的纠缠后，师徒四人来至充满童趣的比丘国。比丘国王（包贝尔 饰）精神错乱，如同孩子般喜怒无常。国师九宫真人（姚晨 饰）将师徒迎进王宫，虽百般叮咛，却仍引出不少的乱子，甚至还揪出了藏在宫中的狡猾妖怪。
冒险仍在继续，师徒间的危机一触即发……

孙悟空（周星驰）护送唐三藏（罗家英）去西天取经路上，与牛魔王合谋欲杀害唐三藏，并偷走了月光宝盒，此举使观音萌生将其铲除心思，经唐三藏请求，孙悟空被判五百年后重新投胎做人赎其罪孽。
五百年后孙悟空化身强盗头头至尊宝。当遇见预谋吃唐僧肉的妖怪姐妹蜘蛛精春三十娘（蓝洁瑛）和白骨精白晶晶（莫文蔚）时，因为五百年前孙悟空曾与白晶晶有过一段恋情，至尊宝与她一见钟情，但因菩提老祖将二人妖怪身份相告，至尊宝仍带领众强盗开始与二妖展开周旋，过程中，白晶晶为救至尊宝打伤春三十娘，自己也中毒受伤，为了救白晶晶，至尊宝去找春三十娘，遭白晶晶误会，绝望自杀，至尊宝开始用月光宝盒以期使时光倒流。

至尊宝（周星驰 饰）被月光宝盒带回到五百年前，遇见紫霞仙子（朱茵 饰），被对方打上烙印成为对方的人，并发觉自己已变成孙悟空。
紫霞与青霞（朱茵 饰）本是如来佛祖座前日月神灯的灯芯（白天是紫霞，晚上是青霞），二人虽然同一肉身却仇恨颇深，因此紫霞立下誓言，谁能拔出她手中的紫青宝剑，谁就是她的意中人。紫青宝剑被至尊宝于不经意间拔出，紫霞决定以身相许，却遭一心记挂白晶晶（莫文蔚 饰）的至尊宝拒绝。后牛魔王救下迷失在沙漠中的紫霞，并逼紫霞与他成婚，关键时刻，至尊宝现身。

影片讲述了师徒四人在西行的路上，白骨精（巩俐 饰）为夺唐僧（冯绍峰 饰）而巧设圈套，被孙悟空（郭富城 饰）识破，屡次受挫。唐僧却误会孙悟空滥杀无辜，将其逐出师门。白骨精趁虚而入，掳走唐僧。悟空闻讯前往营救，彻底击溃白骨精。师徒冰释前嫌，重新上路。