故事发生在一个所有哺乳类动物和谐共存的美好世界中，兔子朱迪（金妮弗·古德温 Ginnifer Goodwin 配音）从小就梦想着能够成为一名惩恶扬善的刑警，凭借着智慧和努力，朱迪成功的从警校中毕业进入了疯狂动物城警察局，殊不知这里是大型肉食类动物的领地，作为第一只，也是唯一的小型食草类动物，朱迪会遇到怎样的故事呢？
近日里，城中接连发生动物失踪案件，就在全部警员都致力于调查案件真相之时，朱迪却被局长（伊德瑞斯·艾尔巴 Idris Elba 配音）发配成为了一名无足轻重的交警。某日，正在执勤的兔子遇见了名为尼克（杰森·贝特曼 Jason Bateman 配音）的狐狸，两人不打不相识，之后又误打误撞的接受了寻找失踪的水獭先生的任务，如果不能在两天之内找到水獭先生，朱迪就必须自愿离开警局。朱迪找到了尼克，两人联手揭露了一个隐藏在疯狂动物城之中的惊天秘密。

为了给最疼爱的小老弟菜鸟（克里斯多夫·奈茨 Christopher Knights 配音）庆生，老大（汤姆·麦格拉思 Tom McGrath 配音）带领菜鸟以及好搭档科斯基（克里斯·米勒 Chris Miller 配音）、瑞哥闯入了防守最严密的美国黄金储备中心，只为找到金库尽头仅有的那台销售炸薯条的自动贩卖机。谁知他们刚刚完成任务没多久，便被长着触角的贩卖机吞了进去，随后被运到一个神秘的所在。在全封闭的设施内，四只企鹅见到了伪装成基因遗传科学家的章鱼戴夫（约翰·马尔科维奇 John Malkovich 配音）。原来戴夫曾是动物园一只明星章鱼，但随着萌态十足的企鹅们的到来，他便跌入了绝望的深谷。因此戴夫潜心研制了可怕的血清，发誓要向所有他曾待过的动物园中的企鹅展开报复。
老大和伙伴们在逃亡途中得到北风特工队的救助，而他们和这些高傲的特工队员将分别阻止戴夫的阴谋……

一度平静的斯沃罗夫小岛被弗林德·洛克伍德（比尔·哈德 Bill Hader 配音）的天才发明复食机所摧毁。最终他成功破坏复食机，并打算和山姆（安娜·法瑞丝 Anna Faris 配音）他们重建美好家园。这时候，弗林德最崇拜的偶像——丽芙公司老板切斯特 V（威尔·福特 Will Forte 配音）从天而降。切斯特是一个天才发明家，他的公司更是云集了全世界顶尖的科学家。切斯特邀请弗林德加入丽芙公司，并承诺带着岛民前往加利福尼亚，而他的公司将负责清理破败的小岛。为了成为幻想发明家，弗林德拼尽全力开展研发。与此同时，故乡却传来不好的消息。许多清理者被活着的食物所捕获，似乎复食机并未完全摧毁，并且朝着弗林德不曾预料的方向继续发展。在切斯特的命令下，他和山姆、老爹以及其他伙伴们踏上了返乡的旅途，寻找解决麻烦的办法……

维京岛国的少年小嗝嗝（杰伊•巴鲁切尔 Jay Baruchel 配音）是部落统领伟大的斯托里克（杰拉德·巴特勒 Gerard Butler 配音）的儿子，他非常想像自己的父亲一样亲手屠龙——这些飞龙是岛上维京人放牧羊群的主要天敌——但他每次出现在部落屠龙的战斗中都只给大家徒增烦恼。在一次对抗飞龙的战斗中，希卡普偷偷用射龙器击伤了一只最神秘的“夜之怒龙”，并背着族人放生、豢养，甚至驯服了这只龙，还给它起名“无牙”。希卡普的神秘行径引起了一同训练屠龙技巧的女孩阿斯特丽德（亚美莉卡·费雷拉 America Ferrera 配音）的怀疑。阿斯特丽德发现了希卡普的秘密，却同时被身骑“无牙”御风而飞的美妙体验所震撼。格雷决定在屠龙成人礼上向远征归来的斯托里克和族人讲明真相，说服大家放弃屠龙，却偏偏弄巧成拙，害得“无牙”被俘，一场更大的灾难就在眼前……