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HankAzaria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ChristinaRicci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KatyPerry配音），希望能从她口中拷问出蓝爸爸（乔纳森·温特斯JonathanWinters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AntonYelchin配音）、厌厌（乔治·洛佩兹GeorgeLopez配音）、浮浮（克里斯蒂娜·里奇ChristinaRicci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……
在准备她的生日庆祝活动时，蓝精灵们读了蓝精灵的故事，讲述了格格巫如何创造她来摧毁他们，结果蓝爸爸救了她，并将她完全变成了蓝精灵。与此同时，她做着噩梦，梦见自己变回原来的样子，并背叛了她的蓝精灵同伴，将他们交给了格格巫。蓝精灵们正在准备一场惊喜派对，但当蓝精灵试图了解她的蓝精灵伙伴们正在计划什么时，他们谁也没有说一句话。她认为这意味着每个人都忘记了她的生日。
在巴黎，格格巫和阿兹瑞尔现在已成为名人，他们凭借格格巫的魔法而令人惊叹，但他的蓝精灵精华所赋予他的魔力已经所剩无几。格格巫用他的新作品，邪恶的类似蓝精灵的生物顽皮，名为威克西（Vexy）和哈库斯（Hackus），利用埃菲尔铁塔作为管道，创建了一个通往蓝精灵村的传送门，这样他就可以绑架蓝菲特，作为对蓝精灵先前击败他的报复。通过她，获得爸爸创造蓝精灵的秘方。然而，格格巫体型太大，无法通过传送门，因此他派威克西穿过传送门绑架蓝妹妹。
蓝精灵目睹了蓝妹妹被绑架，并通知了爸爸，爸爸用他的魔法制造了水晶，让他的几个蓝精灵可以直接前往他们的人类盟友帕特里克和格蕾丝·温斯洛在纽约市的住所寻求他的帮助去营救蓝妹妹。爸爸原本打算让聪明、健壮和勇敢使用这些水晶，但由于一次意外，笨拙、格鲁奇和虚荣使用了它们。蓝精灵们在庆祝儿子布鲁的四岁生日后抵达帕特里克和格蕾丝的公寓，在那里他们遇到了帕特里克的继父维克多·道尔，他一直让帕特里克感到尴尬。蓝精灵很快发现格格巫在巴黎，并与温斯洛夫妇和维克多出发寻找他。
抵达巴黎后，帕特里克和格蕾丝与维克多一起在格格巫的一场表演中分散他的注意力，而蓝精灵则偷偷溜进格格巫更衣室的后台寻找蓝妹妹，却发现了格格巫的计划。与此同时，蓝妹妹逃离了监狱，维克西和哈库斯追赶她。Vexy 鼓励她成为他们中的一员，并声称顽皮很有趣。当她和淘气鬼一起回到格格巫的酒店套房时，格格巫送给她一根小龙魔杖，以示善意。蓝精灵仍然拒绝给格格巫配方，直到她看到淘气鬼因缺乏蓝精灵精华而濒临死亡。由于没有其他办法可以拯救他们，蓝妹妹写下了这个公式，格格巫用它把淘气鬼们变成了真正的蓝精灵。在他们成为蓝精灵后，格格巫立即将他们放入他的蓝精灵中，以便他可以执行其余的计划。
与此同时，帕特里克、维克多和蓝精灵齐心协力营救蓝菲特。蓝精灵很快被捕获并放入蓝精灵中，为格格巫的大型龙魔杖提供动力。帕特里克和维克多及时赶到，一起摧毁了蓝精灵，导致蓝精灵精华爆炸，摧毁了书面公式，并将蓝精灵从笼子里释放出来。每个人都通过下水道洞被从格格巫的巢穴中炸了出来，帕特里克和维克多在那里与格蕾丝和布鲁重聚。格格巫从下水道洞中重新出现，却被蓝妹妹用她的新魔杖炸飞了。然后他跌落到巴黎圣母院，不小心带回了一个石像鬼。生命，然后把他扔到埃菲尔铁塔的顶部，然后燃放烟花，将他送入空中。蓝精灵们告别了温斯洛一家，然后与威克西和哈库斯一起回家庆祝蓝精灵的生日。
在两个片尾彩蛋中，格格巫和阿兹瑞尔被拉进传送门，送回城堡，随后他们发生了一场战斗