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……

小男孩卡尔（Carl Fredricksen）怀揣着对于冒险的热爱偶遇假小子艾丽（Ellie），而艾丽把整个屋子当成一艘大飞船游戏居然使他对这个女孩子有些着迷，相同的爱好最终使两个人成为了一生的爱侣。
他们有一个梦想，那就是有朝一日要去南美洲的“仙境瀑布”探险，但直到艾丽去世，这个梦想也未能实现。终于有一天，曾经专卖气球的老人卡尔居然用五颜六色的气球拽着他的房子飞上了天空，他决定要去实现他们未曾实现的梦想。令卡尔始料不及的是，门廊居然搭上了一个自称是“荒野开拓者”的小男孩小罗（Russell），小罗的喋喋不休让卡尔对这个小胖墩格外讨厌。
一老一少在飞行中经过了千难万险终于看到了传说中的“仙境瀑布”，在相处过程中卡尔发现小罗其实是个惹人怜爱的孩子。在步行穿越一座森林时，他们遇到了不会飞的大鸟凯文（Kevin）和一只会说话的狗狗逗逗（Dug），让老人惊讶的是他们还遇到了他少年的崇拜偶像——探险家查尔斯·蒙兹（Charles Muntz），而且他发现蒙兹居然是一个为达目的不择手段的坏人。这时，老人离自己的梦想之地只有一步之遥……
本片荣获第82届奥斯卡最佳动画长片、最佳配乐2项大奖。

在非洲游历了一圈之后，纽约中央公园的四位明星们继续着回到纽约，回到中央公园的旅程。不过，只要旅途中有猩猩和那群企鹅的“帮忙”，旅程就没有想象中的那么顺利。在蒙特卡洛的一家赌场里，由于大家的耍宝，大闹赌场，进而招致了心狠手辣的动物管理局上尉杜波依斯（弗兰西斯·麦克多蒙德 Frances McDormand 配音）的围追堵截。为了逃过追捕，大家逃进了一个在欧洲进行巡回演出的马戏团。在马戏团里，大家延续着“马达加斯加”式的幽默，笑料百出。虽然，欧洲这一路上的旅行并不顺利，不断受到杜波依斯上尉的追捕威胁，不过大家一直怀揣着回到纽约，回到纽约中央公园的梦想。在马戏团，还帮助了东北虎维塔利（布莱恩·科兰斯顿 Bryan Cranston 配音）、美洲虎吉亚（杰西卡·查斯坦 Jessica Chastain 配音）以及海狮斯蒂芬诺（马丁·肖特 Martin Short 配音）重拾对马戏表演的信心。