《神偷奶爸 2》延續了前作溫暖歡樂的基調。
講述曾經的超級壞蛋格魯金盆洗手後，化身暖心奶爸，在家庭與責任的召喚下重出江湖，聯手特工搭檔拯救世界、同時收穫愛情的冒險故事。
故事開篇，曾經叱吒風雲的大壞蛋格魯早已洗心革面，專心陪伴瑪戈、伊迪絲和艾格尼絲三個養女，還和助手納法利歐博士經營著一家果醬果凍廠，過著平淡又溫馨的普通人生活。
可平靜很快被打破。
北極一處秘密實驗室遭神秘勢力整個盜走，裡面藏有能改寫生物基因、將溫順生物變成狂暴怪物的PX-41 誘變劑。
專門打擊犯罪的反壞蛋聯盟盯上了格魯。
他們認為只有這位“前壞蛋”才能精準洞悉同類的陰謀，於是派出身手利落、性格活潑的女特工露西，強行將格魯帶回聯盟。
起初格魯堅決拒絕，他只想守著女兒們安穩度日。
可納法利歐博士厭倦了平淡的果醬生意，一心懷念當年做壞蛋的刺激，最終選擇離開格魯、另尋出路。博士的離去讓格魯陷入失落，也讓他意識到，自己骨子裡的冒險與正義從未真正消失。
為了守護家人與世界安全，格魯終於答應聯盟的邀請，以臥底身份重返“壞蛋圈”，和露西組成臨時搭檔，在一家購物中心展開秘密調查。
兩人以紙杯蛋糕店為掩護，暗中排查可疑人員。
格魯很快注意到商場裡墨西哥餐廳老闆愛德華多，對方的氣場、行事風格都與二十年前銷聲匿跡的超級惡棍猛爺高度相似。
可聯盟高層卻誤判目標，抓走了無關的理髮店老闆，導致調查陷入僵局。
與此同時，格魯的家庭生活也狀況不斷：大女兒瑪戈情竇初開，對愛德華多的兒子心生好感，讓笨拙又護女的格魯手忙腳亂；
小女兒艾格尼絲渴望母愛，常常對著星空思念媽媽，讓格魯既心疼又無奈。
在並肩查案的過程中，格魯與露西從互相調侃到彼此欣賞，漸漸萌生愛意。
可任務告一段落後，露西被迫前往澳大利亞執行新任務，兩人來不及告白，只能遺憾告別。
就在格魯情緒低落時，危機突然爆發：大批小黃人接連失蹤，格魯這才確認，愛德華多正是隱姓埋名的猛爺。
猛爺偷走PX-41後，聯合了投奔自己的納法利歐博士，將小黃人抓去做實驗，把它們變成了渾身紫色、性情殘暴的怪物，計劃用變異小黃人佔領全世界。
猛爺威逼格魯重操舊業、一起統治世界，被格魯斷然拒絕。
為了要挾格魯，猛爺派人綁架了中途折返、放心不下格魯的露西。
千鈞一髮之際，納法利歐博士良心覺醒，他早已把格魯和三個女孩當成家人，不願助紂為虐，於是偷偷研製出PX-41解藥，藏在果凍裡送回格魯身邊。
格魯帶著少數未被感染的小黃人，偽裝成變異小黃人潛入猛爺的基地，一場爆笑又驚險的大戰就此展開。
格魯用解藥果凍將變異小黃人一一恢復原狀，和露西聯手對抗猛爺。
最終，猛爺的陰謀被徹底粉碎，基地炸燬，世界重回安全。
危機解除後，格魯終於鼓起勇氣向露西告白，兩人順利走到一起。
