自從與瑪戈、伊迪絲和阿格蕾絲三個小女孩實現宿命的邂逅，曾經的大壞蛋格魯徹底轉型為慈祥可親的父親和制作布丁果凍的商人。然而憧憬壞蛋生涯的老搭檔納法利歐博士因此離他而去。某天格魯被特工露西·王爾德綁架，因其曾參與研制能改變生物基因的神秘血清——該物品在北極圈實驗室失竊后，反派正企圖利用其將全人類轉化為惡人。作為唯一兼具邪惡智慧與偵查能力的人選，格魯被迫接受臥底任務，帶著超萌的小黃人們與露西組成爆笑搭檔。兩人通過追蹤發現失竊血清已落入偽裝成玩具商的國際頭號通緝犯巴特之手，其真實動機是摧毀所有"好孩子"以報復童年遭遇的校園霸凌。在揭露陰謀的過程中，格魯意外發現自己對露西萌生情愫，最終他們聯手奪回血清并關閉反派基地。任務完成后格魯與露西結為夫妻，三個女兒獲得新母親，納法利歐博士也重返團隊繼續科學研發。