超级坏蛋格鲁（史蒂夫·卡瑞尔 Steve Carell 配音）在听说埃及金字塔被盗的新闻后不满市面上新贼辈出，决定在纳法利欧博士（拉塞尔·布兰德 Russell Brand 配音）的帮助下建造火箭升空盗取月亮。在向坏蛋银行贷款的过程中，格鲁盗取的收缩射线枪被新贼维克托（杰森·席格尔 Jason Segel 配音）抢走。为了夺回收缩射线枪，格鲁决定领养三位孤儿——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），利用她们进入维克托的城堡兜售饼干的机会实施偷盗，计划成功后再偷偷处理掉三个小孩。然而在平凡的日常相处中，格鲁却发现自己越来越离不开这三个小鬼，但这样的感情用事却将严重影响周密的盗月计划……
为了获得更多的蓝精灵精华，邪恶巫师格格巫（汉克·阿扎利亚 Hank Azaria 饰）制造了两个调皮捣蛋的灰色小精灵韦克茜（克里斯蒂娜·里奇 Christina Ricci 配音）和海库斯（JB·斯穆夫 J.B. Smoove 配音）。可是他无法从灰精灵那里提取精华，为此格格巫派出韦克茜混入大森林，绑架了即将迎来生日的蓝妹妹（凯蒂·派瑞 Katy Perry 配音），希望能从她口中拷问出蓝爸爸（乔纳森·温特斯 Jonathan Winters 配音）将她变蓝的秘密。 为了营救蓝妹妹，蓝爸爸率领笨笨（安东·尤金 Anton Yelchin 配音）、厌厌（乔治·洛佩兹 George Lopez 配音）、浮浮（克里斯蒂娜·里奇 Christina Ricci 配音）重返人类世界，并在他们人类朋友的帮助下，展开了蓝妹妹的营救行动……
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