在广袤安宁的原始森林中，快乐的蓝精灵们正在准备一年一度的蓝月亮节。而就在这欢喜忙碌的关头，他们的宿敌——邪恶的巫师格格巫（汉克·阿扎瑞亚 Hank Azaria 饰）和他的宠物阿兹猫闯入了蓝精灵的秘密领地。受到惊吓的蓝精灵四散而逃，其中可怜的笨笨（安东·尤金 Anton Yelchin 配音）则盲打误撞跑进了据说曾经死掉99个蓝精灵的瀑布进去。最终，笨笨连同营救他的蓝爸爸、蓝妹妹、聪聪等卷入了神秘的漩涡，来到了美国纽约的中央花园。在这个完全陌生的世界，他们得到化妆品业的帕特里克（尼尔·帕特里克•哈里斯 Neil Patrick Harris 配音）的帮助。为了返回大森林，蓝精灵们想尽各种办法。与此同时，格格巫和阿兹猫也来到纽约……
本片根据比利时漫画家沛优（Peyo）及其夫人共同创作的漫画改编，早年曾被美国引进制作成TV版动画。
在蓝精灵村，蓝精灵们正在为蓝月节做准备。蓝爸爸看到了笨手笨脚的蓝精灵伸手拿龙魔杖和邪恶巫师格格巫捕获蓝精灵的幻象。不久之后，笨手笨脚去摘蓝根草，并最终带领格格巫进入了村庄。爸爸诱杀格格巫并把他抛到空中后，蓝精灵们逃跑了，笨拙不知不觉地跑向禁瀑布，爸爸、蓝妹妹、格鲁奇、聪明和勇敢跟在他后面。蓝月亮出现并产生漩涡，将他们带到纽约市。格格巫和他的宠物猫阿兹瑞尔跟在他们后面。
蓝精灵们最终来到了帕特里克·温斯洛和格蕾丝·温斯洛的公寓，这对已婚夫妇即将迎来他们的第一个孩子。在他们解释了自己的情况后，温斯洛夫妇与他们成为了朋友，并允许他们住在自己的公寓里。第二天，为了寻找“观星者”，蓝精灵们跟随帕特里克来到他在安杰卢化妆品公司的工作场所，相信他是一位算命师。与此同时，格格巫从蓝精灵的一绺头发中提取了蓝精灵精华，并用精华让她年迈的母亲恢复了青春，给帕特里克的老板奥迪尔留下了深刻的印象。认出帕特里克后，格格巫将他和蓝精灵追到了FAO Schwarz，并在试图抓住他们的同时制造了混乱。他被捕入狱，但在一群苍蝇的帮助下成功逃离了监狱。
爸爸设法计算出他和其他人可以回家的时间，但需要计算出一个咒语。当蓝精灵与帕特里克和格蕾丝建立亲密关系时，爸爸决定搜索附近的一家书店以找到咒语。蓝精灵找到研究员佩约所著的《L'Histoire des Schtroumpfs》一书，包含将月亮变成蓝色的咒语。格格巫潜入书店，找到一根龙杖，将自己的魔法转移到其中，并用它捕获了爸爸。在用从爸爸 DNA 中提取的蓝精灵精华增强魔杖的力量后，格格巫面对着整个蓝精灵村庄，因为蓝月亮打开了通往他们世界的大门。当蓝精灵军队与格格巫作战时，蓝精灵击败了阿兹瑞尔并拯救了爸爸。格格巫被帕特里克击倒，帕特里克在此过程中掉落了龙杖。笨手笨脚地试图抓住它，令爸爸惊讶的是，他成功了，并把格格巫撞到了公交车道上。这把他带走了。蓝精灵们告别帕特里克和格蕾丝，返回蓝精灵村。后来，帕特里克和格蕾丝生了一个男婴，他们给他起名叫布鲁，