洗心革面之后，格鲁（史蒂夫·卡瑞尔 Steve Carell 配音）作为特工成绩斐然，却因未能打败坏小子巴萨扎·布莱德（崔·帕克Trey Parker 配音）而被新局长扫地出门。就在此时，他收到一封远方来信，这才得知自己原来还有一个双胞胎兄弟德鲁（史蒂夫·卡瑞尔 Steve Carell 配音）。在德鲁盛情邀请下，格鲁带着妻子露西•王尔德（克里斯汀·韦格 Kristen Wiig 配音）以及玛戈（米兰达·卡斯格拉夫 Miranda Cosgrove 配音）、伊迪丝（达娜·盖伊 Dana Gaier 配音）和阿格蕾丝（埃尔希·费舍 Elsie Fisher 配音）来到了他亲生父亲所居住的地方探亲。德鲁天真烂漫，却一心想和哥哥搭档成为坏蛋二人组。格鲁虽然暂时回归狂野，可正义之心并未泯灭。
尤其当巴萨扎邪恶的计划和三个可爱的孩子牵扯到一起时，他再也无法坐视不理……

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……

冰河时期降至，动物们都急着迁徙到温暖的地方及储存食物。长毛象曼弗瑞德、树獭希德、剑齿虎迪亚戈为了帮助一个人类的婴儿回到父母身边，因而也掉了动物们迁徙的队伍。三只性格各异的动物，觉得集合力量帮助婴儿。一路上，善良的曼弗瑞德总觉得迪亚戈心怀鬼胎，想吃掉婴儿，互相猜疑。他们一起经历了无数艰难险阻，终于能够真诚相对。
当剑齿虎迪亚戈的同伴知道它身边正有一个婴儿，饥寒交迫的它们就想迪亚戈把婴儿交给它们当食物，迪亚戈已对可爱的小婴儿产生了感情，无法下手，而迪亚戈该如何选择呢？小婴儿又能否安全回到家中？