En 1976, ocho años después de los eventos de la primera película, Gru, de 11 años, permite que los Minions trabajaran para él como su nuevo líder. Un día, Gru recibe una invitación para una audición de los Salvajes 6, una organización criminal fundada por el supervillano Willie Cobra; ahora dirigido por la líder recién nombrada Belle Bottom luego de la muerte de Cobra, que espera encontrar un nuevo miembro. La entrevista de Gru sale mal pero, para indignación de los Salvajes 6, logra robar la Gema del Zodíaco, un artefacto ancestral capaz de convertir a cualquiera en uno de los animales del zodíaco chino por el Año Nuevo chino.

Después de una fuga con Kevin, Stuart y Bob, Gru descubre que Otto, un Minion grande, redondo y parlanchín con aparatos ortopédicos, ha intercambiado la Gema por una piedra mascota, lo que hace que despida a los Minions antes de ir solo a buscar la Gema, a pesar de las objecciones de Kevin. Sin embargo, Willie Cobra, que se revela que está vivo, secuestra a Gru y lo lleva a San Francisco, para gran consternación de Kevin.

Kevin, Stuart y Bob parten hacia San Francisco para encontrarlo después de que Cobra amenaza con asesinar a Gru si no traían la Gema, y terminan pilotando un avión allí. Cuando llegan a la casa de Willie Cobra, son perseguidos por sus secuaces hasta que la Maestra Chow, una ex maestra de kung-fu, los ayuda. Chow decide enseñarles después de que le ruegan que lo haga. Cuando completan su enseñanza, el trío regresa a la casa de Willie Cobra para intentar rescatar a Gru. Mientras tanto, Otto persigue a un motociclista que tiene la piedra como collar. Cuando logra alcanzarlo en el Valle de la Muerte, el motociclista le devuelve la piedra a Otto y lo lleva a San Francisco.

Gru comienza a vincularse con Willie Cobra después de que los secuaces de este último lo abandonan. Después de salvar a Cobra de que un cocodrilo se lo coma vivo en su piscina, deciden robar el Banco Local del Mal y logran hurtar la Mona Lisa. Después de llegar a casa una noche, ven que la casa de Willie Cobra ha sido destruida por los Salvajes 6, gracias a que Kevin, Stuart y Bob irrumpieron antes. Cobra decide darse por vencido, lo que hace que Gru encarge de detenerlos.

En un desfile del Año Nuevo chino en Chinatown, Otto y Gru se encuentran, y Otto le devuelve la Gema, pero son acorralados por los Salvajes 6, quienes a su vez se enfrentan a la Liga Anti-Villanos. Sin embargo, después de que el reloj marca la medianoche, los Salvajes 6 usan la Gema para convertirse en animales — Bottom en una dragona, Jean Clawed en un papio, Nunchuck en una cobra, Svengeance en un tigre y Stronghold en un buey — del zodíaco, capturan a Gru y lo atan en una torre de reloj, planeando matarlo como venganza. Kevin, Stuart y Bob logran encontrar a Gru, pero son convertidos en un conejo, una cabra y un gallo, respectivamente. Willie Cobra regresa y lucha contra Bottom junto a los Minions. Alentados por las enseñanzas de Chow, los Minions logran derrotar a la mayoría de los Salvajes 6, pero Cobra es gravemente quemado por Bottom cuando intenta recuperar la piedra. Otto salva a Gru, quien usa la Gema para convertir a los Salvajes 6 en ratas. Los Salvajes 6 son arrestados, incluido Willie Cobra, quien es llevado a un hospital donde sucumbe a sus heridas fuera de la pantalla. En el funeral de Cobra, Gru hace un sincero elogio, pero se revela que Cobra fingió su muerte para evadir la justicia. Más tarde, él y Gru se alejan hacia la puesta de sol con los Minions, quienes son recontratados después de salvar a Gru de los Salvajes 6.

En una escena de mitad de créditos, Gru contrata al Dr. Nefario en agradecimiento por un invento suyo que lo ayudó a robar la piedra. Nefario originalmente se niega, pero decide unirse a él después de que él y los Minions ruegan, y les da un paseo en un jet, similar al que Gru usaría en el futuro.

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