格魯（史蒂夫·卡瑞爾 Steve Carell 配音）和露西（克里斯汀·韋格 Kristen Wiig 配音）一家即將展開家庭生活的新篇章，迎接新成員“迷你格魯”，而這個小寶寶也會用盡方法折磨格魯這個新手老6080。 新反派惡霸麥斯（威爾·法瑞爾 Will Ferrell 配音）和他既致命危險又美麗性感的女友華倫天娜（索菲婭·維加拉 Sofía Vergara 配音）來勢洶洶，格魯一家面臨未知危險。此時，全新超級小黃人重磅亮相，成為幫助格魯一家度過這次危機的“秘密武器”。一場驚險刺激、笑料百出的全新冒險即將展開。
自從與瑪戈（米蘭達·卡斯格拉夫 Miranda Cosgrove 配音）、伊迪絲（達娜·蓋伊 Dana Gaier 配音）和阿格蕾絲（埃爾希·費舍 Elsie Fisher 配音）三個可愛的小女孩實現宿命的邂逅，曾經的大壞蛋格魯（史蒂夫·卡瑞爾 Steve Carell 配音）可真徹底轉型了，他金盆洗手，轉而化身為慈祥可親的爸爸和做得一手爛口味布丁果凍的商80s。當然凡事沒有盡善盡美的，在此期間，憧憬大壞蛋傳奇人生的老搭檔納法利歐博士（拉塞爾·布蘭德 Russell Brand 配音）離他而去，另謀高就。某天，格魯被身懷絕技卻魯莽的特工露西·王爾德（克里斯汀·韋格 Kristen Wiig 配音）綁架，原來露西所在的集團研制出可以改變生物基因的藥物，可他們位于南極的實驗室被神秘竊賊偷走，因此才委托有過壞蛋經驗的格魯做臥底。
超級壞蛋格魯（史蒂夫·卡瑞爾 Steve Carell 配音）在聽說埃及金字塔被盜的新聞后不滿市面上新賊輩出，決定在納法利歐博士（拉塞爾·布蘭德 Russell Brand 配音）的幫助下建造火箭升空盜取月最新電影。在向壞蛋銀行貸款的過程中，格魯盜取的收縮射線槍被新賊維克托（杰森·席格爾 Jason Segel 配音）搶走。為了奪回收縮射線槍，格魯決定領養三位孤兒——瑪戈（米蘭達·卡斯格拉夫 Miranda Cosgrove 配音）、伊迪絲（達娜·蓋伊 Dana Gaier 配音）和阿格蕾絲（埃爾希·費舍 Elsie Fisher 配音），利用她們進入維克托的城堡兜售餅干的機會實施偷盜，計劃成功后再偷偷處理掉三個小孩。然而在平凡的日常相處中，格魯卻發現自己越來越離不開這三個小鬼，但這樣的感情用事卻將嚴重影響周密的盜月計劃……