ある日、エジプトの大ピラミッドが盗まれ、世界的なニュースとなるが“世紀の悪党”を目指す怪盗グルー（声：スティーヴ・カレル）には寝耳に水。そこで名誉挽回とばかりにグルーと彼の仲間、バナナで作られたミニオンたちは月を盗む計画を立てる。まず、なんでも小さくすることができる光線銃を奪い、ロケットで宇宙へ行き、月にその光線を浴びせ小さくして地球に持ち帰るという作戦だ。ところが、グルーたちは一度盗んだ光線銃を、ライバルのベクター（ジェイソン・シーゲル）に奪われてしまう。そんな中、養護施設で暮らすマーゴ（ミランダ・コスグローヴ）、イディス（ダナ・ガイアー）、アグネス（エルシー・フィッシャー）の三姉妹が売りに来たクッキーを、ベクターが喜んで買うのを見たグルーは、この三人を養女に引き取り、彼女たちを利用してベクターの要塞に忍び込もうと考える。かくして作戦は見事成功、グルーは光線銃を取り戻し、後はロケットを作って月へと飛び立つだけとなった。だが、グルーが三姉妹に対し愛情を覚え、計画の実現に暗雲が漂い始めたその時、それを察した仲間のネファリオ博士（ラッセル・ブランド）が三人を施設に帰してしまう。おかげで月泥棒は大成功。ところが、宇宙に行っている間にベクターが三姉妹を誘拐したことを知ったグルーは、三人を取り戻すため、盗んだ月をベクターに渡そうと決意するのだが……。