5年前、K（トミー・リー・ジョーンズ）と共に地球の危機を救ったJ（ウィル・スミス）は、今やMIBでもエリート捜査官になっていたが、Kの引退以来パートナーが見つからず、遂には上司Zからパグ犬エイリアンのフランク＝エージェントFを相棒に任命される始末。そんなある日、セクシー・ランジェリーのモデルに化けた凶悪なカイロシアン星人のサーリーナ（ララ・フリン・ボイル）たちが、強大な力を秘めた「ライト・オブ・ザルタ」を探し地球に辿り着き、MIBの本部全体を人質に取ってしまう。難を逃れたJは、本人の志願により記憶を消され、田舎の郵便局で働いているKを訪ねる。そもそも25年前、カイロシアン星人に追われ滅んだ惑星ザルダンの王女から「ライト・オブ・ザルタ」を託された処理をしたのがKであった。KとJは、記憶の糸をたぐり寄せつつ事件の謎を追っていき、遂に「ライト・オブ・ザルタ」の秘密は、サーリーナによる善良なザルタン星人ベンの殺害現場を目撃したローラが持つブレスレットに隠されていることを思い出すが、サーリーナにもその事実を知られローラを連れ去られてしまった。だが今や完全に最強のコンビとして復活したKとJは、サーリーナが宇宙へ逃亡してしまう前に、見事倒しローラを奪還するのであった。