自从与三个可爱的小女孩Margo（Miranda Cosgrove饰）、Edith（Dana Gaier饰）和Agrace（Elsie Fisher饰）的命运相遇后，前反派Gru（Steve Carell饰）彻底改变了，相反，他变成了一个善良可亲的父亲和一个做腐烂布丁和果冻的商人。当然，没有什么是完美的，在这段时间里，他的老搭档纳法里奥博士（由拉塞尔·布兰德配音）离开了他，开始了新的职业生涯。一天，格鲁被一个名叫露西·王尔德（Kristen Wiig配音）的技术娴熟但鲁莽的特工绑架。事实证明，露西的团队已经开发出了可以改变生物基因的药物，但他们在南极洲的实验室被神秘的小偷偷走了，所以有恶棍经验的格鲁被委托为卧底。经过一番考虑，格鲁接受了这项任务，并与露西以及可爱的小黄人组成了一个搞笑的追击伙伴
Melita（Nanmu Deng配音）出生于著名的“圣骑士”家族。每个有圣骑士血统的家庭成员都可以使用非常强大的能力。然而，梅琳达完全没有这种能力，她因被怀疑血统不纯而被流放。
然而，医生仍然无法接受失去孩子的痛苦，也无法正确治疗阿童木，因为他认为阿童木不是人而抛弃了他。阿童木成了一个无家可归的流浪者，也被各地的军队通缉，最终被抓获。军方要求天马博士去除阿童木的能量，并将其转化为军用机器人的能源。在最后一刻，天马医生突然醒来，协助阿童木逃跑。面对军方的追击和拦截，阿童木奋起反抗，最终，一场惊天动地的战争迫在眉睫。在不断旅行的过程中，阿童木逐渐长大，他也接受了自己将机械与人类结合的设计，肩负起了全人类生存的责任。
