世界各地的读者都爱上了莎莉·卡迈克尔的一系列浪漫小说，这些小说记录了一个人类女孩和人鱼之间史诗般的爱情故事。但没有人知道莎莉·卡迈克尔真的是西蒙·海斯，一个苦闷、严肃的小说家——西蒙想保持这种风格。

超级坏蛋格鲁（史蒂夫·卡瑞尔 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 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 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 配音）、伊迪丝（达娜·盖伊 配音）和阿格蕾丝（埃尔希·费舍 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……

自从与玛戈（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）三个可爱的小女孩实现宿命的邂逅，曾经的大坏蛋格鲁（史蒂夫·卡瑞尔 Steve Carell 配音）可真彻底转型了，他金盆洗手，转而化身为慈祥可亲的爸爸和做得一手烂口味布丁果冻的商人。当然凡事没有尽善尽美的，在此期间，憧憬大坏蛋传奇人生的老搭档纳法利欧博士（拉塞尔·布兰德 Russell Brand 配音）离他而去，另谋高就。某天，格鲁被身怀绝技却鲁莽的特工露西·王尔德（克里斯汀·韦格 Kristen Wiig 配音）绑架，原来露西所在的集团研制出可以改变生物基因的药物，可他们位于南极的实验室被神秘窃贼偷走，因此才委托有过坏蛋经验的格鲁做卧底。 经过一番考虑，格鲁接受了这项任务，带着超萌的小黄人们，和露西组成了爆笑连连的追凶搭档……

这一次，破坏王拉尔夫（约翰·C·赖利 John C. Reilly 配音）和云妮洛普（萨拉·丝沃曼 Sarah Silverman 配音）又闯祸了，导致了云妮洛普所在的游戏《甜蜜冲刺》的游戏机方向盘遭到了损坏。这是一台非常古老的街机，在整个互联网中，只有一只备用方向盘正在销售，然而它的售价实在是非常昂贵，老板决定放弃这台机器，将它解体变卖。这也就意味着，《甜蜜冲刺》里的角色们将永远失去他们的家园。 为了避免这一悲剧的发生，拉尔夫和云妮洛普决定亲自到互联网里去走一遭，买回方向盘。一路上，他们惹了无数的笑料，犯了无数令人啼笑皆非的错误。为了赚钱，拉尔夫不惜亲自出马成为视频网站的网红赚取点击量变现，而云妮洛普则在另一款赛车游戏《狂野飙车》里找到了真正的自我。

蓝妹妹（黛米·洛瓦托 Demi Lovato 配音）发现了一张遗落的地图，由此引发精灵们对于神秘村庄真实性的猜想。于是，满怀好奇心的蓝妹妹与聪聪（丹尼·朴迪 Danny Pudi 配音）、笨笨（杰克·麦克布瑞尔 Jack McBrayer 配音）、健健（乔·曼根尼罗 Joe Manganiello 配音）四个小伙伴组成冒险小分队，背着蓝爸爸（曼迪·帕廷金 Mandy Patinkin 配音）离开了精灵村，踏上了充满未知的探秘旅程。一路上，四个小伙伴为所见的新奇景物而兴奋，为陷入漆黑洞穴而慌张，上天下地一路萌行充满欢声笑语，直到他们遇到了最大的对手——格格巫（雷恩·威尔森 Rainn Wilson 配音）。 为抢先找到传说中神秘的蓝精灵村庄，格格巫用尽一切办法拦截冒险小分队，宿敌相遇一场激烈对抗在所难免，也为这场探秘之旅增加了更多的不确定性。值得注意的是，除了格格巫的追击堵截，一支头戴面具勇猛善战的蓝色娘子军也团团围住了冒险小分队。