뉴욕 자연사 박물관을 훌륭하게 지켜낸 뒤 사업가로 성공한 래리(벤 스틸러)는 오랜만에 들른 박물관에서, 업그레이드 계획에 따라 불필요해진 전시물들이 수도 워싱턴의 스미소니언 박물관으로 옮겨질 것이라는 소식을 듣는다. 그 후, 뉴욕에 있어야 할 마법의 석판 아크멘라가 원숭이 덱스터의 장난으로 함께 옮겨지면서, 스미소니언은 각양각색의 깨어난 전시물들로 혼란스러워진다. 특히, 고대 이집트의 파라오 카문라는 폭군 이반과 나폴레옹, 알 카포네를 규합해 박물관을 지배하려 한다. 이에 서둘러 워싱턴에 도착한 래리는 뉴욕 자연사 박물관에서의 절친한 동료들인 카우보이 제레디야와 용감한 로마 제국의 초대 황제 옥타비우스를 비롯하여 여류비행사 아멜리아 에어하트(에이미 애덤스) 등과 의기투합 한다. 하지만, 카문라는 석판에 숨겨진 암호를 풀어 역사상 유명한 어둠의 전사들을 깨워내려 하는데...