纽约自然博物馆重新开张，小保安赖瑞·戴利（本·斯蒂勒BenStiller饰）带领泰迪·罗斯福（罗宾·威廉姆斯RobinWilliams饰）策划了精彩的开幕演出。谁知演出刚刚没多久，泰迪、猴子他们便陷入混乱，所有博物馆的伙伴们大闹会场，赖瑞为此焦头烂额。事后他发现，复活黄金碑正被绿色的物质腐蚀，而这种情况似乎导致了藏品们的疯狂。赖瑞查找资料，断定黄金碑背后隐藏着不为人知的秘密。为了阻止混乱情况的蔓延，他决定前往大英博物馆求助法老王阿卡曼拉的父亲，当然那堆搞怪的藏品也都尾随而至。途中他们遇见了圆桌骑士兰斯洛特爵士，还和屋大维等伙伴走散。久违的奇妙冒险，就在夜幕下的大英博物馆的展开……
1938年，一队考古学家正在埃及寻找法老阿克曼拉的陵墓。这群人中包括年轻的塞西尔·“CJ”·弗雷德里克斯，他发现了阿克门拉的石板。由于沙尘暴即将来临，当团队收拾文物时，当地人警告他们不要从坟墓中取出平板电脑，并说“末日即将到来”。
76 年后的纽约市，即第二部电影发生的五年后，拉里·戴利 (Larry Daley) 仍然是自然历史博物馆的夜间警卫。他和其他展览者正在举办一场活动，以帮助海登天文馆重新开放。当拉里确保一切准备就绪时，其他展品告诉他，博物馆委托制作了一个类似拉里的新尼安德特人模型。新的尼安德特人称自己为“Laaa”，并认为拉里是他的父亲。后来，阿克门拉向拉里展示了这块平板电脑发生了神秘的腐蚀。随着腐蚀的蔓延，展品表现异常，导致天文馆发生大规模混乱。局势平息后，沮丧的拉里回到家，发现他十几岁的儿子尼克正在举办派对。
为了查明平板电脑发生了什么，拉里与现已退休的塞西尔重聚，塞西尔是发现这座古墓的探险队成员。塞西尔记得“末日将会到来”的预言，并意识到这指的是平板电脑的神奇结局和展品变得毫无生气。塞西尔说，阿克门拉的父母梅伦卡雷和谢普塞赫雷特也许能够恢复平板电脑的电源，但他们现在在大英博物馆里。拉里说服了因天文馆事件而被解雇的博物馆馆长麦克菲博士，让他将阿克门拉运送到伦敦来恢复平板电脑，尽管麦克菲认为魔法只是巧妙的特效。拉里和尼克绕过夜班警卫蒂莉前往英国，前往大英博物馆。拉里发现一些美国展品已经和阿克门拉一起藏了起来：西奥多·罗斯福、萨卡加维亚、匈奴王阿提拉、杰迪代亚和奥克塔维斯的微缩模型、卷尾猴德克斯特和拉阿。当拉里和其他人搜索博物馆时，平板电脑让英国展品栩栩如生。
兰斯洛特爵士的蜡像加入了这群人，他帮助击退了侵略性的博物馆展品，如三角龙骨架和香柳雕像。平板电脑的腐蚀加剧，美国的展品开始出现四肢僵硬和记忆恢复等副作用。该小组找到了阿克门拉的父母。他们了解到平板电脑的力量可以通过月光再生，因为它是通过孔苏的魔法赋予的。兰斯洛特误认为是圣杯，偷走了石碑，准备前往卡米洛特 。蒂莉将拉里和拉阿锁在员工休息室，但阿提拉帮助他们逃脱。Laaa 留在后面分散蒂莉的注意力；他们互相吸引。
兰斯洛特撞毁了由休·杰克曼和爱丽丝·伊芙主演的音乐剧《卡米洛特》并惊讶地发现，与其他展品不同，兰斯洛特和卡米洛特并不是真实的。拉里和其他人追着兰斯洛特来到剧院的屋顶，腐蚀几乎吞噬了整个平板电脑，使展品恢复了毫无生气的状态。一行人告诉兰斯洛特，虽然卡米洛特从未存在过，但他可以拥有自己的生活。兰斯洛特归还了平板电脑，让拉里整理碎片，月光恢复了平板电脑的力量和展品。当美国展品准备回国时，他们决定阿克曼拉和他的平板电脑应该和他的父母一起留在大英博物馆，尽管这意味着纽约展品将不再栩栩如生。拉里很沮丧，但他们都告诉他，他们对一致的决定感到平静。阿克曼拉感谢拉里让他与家人团聚，然后展品就回家了。回到纽约，拉里与他的朋友们度过了最后的时光，并在太阳升起之前向他们告别，然后他最后一次离开博物馆。
三年后，博物馆重新聘用了麦克菲，拉里现在担任学校老师。新任夜班警卫蒂莉与自然历史博物馆合作，将巡回展览带到纽约。在麦克菲的办公室里，蒂莉将平板电脑交给麦克菲，向他展示平板电脑的力量，并让展品在举办盛大派对时再次苏醒。拉里在街对面静静地观察着庆祝活动并微笑着。