MIBのエリート新人女性エージェントM（テッサ・トンプソン）は、MIB内部にいると見られるスパイを探し出すためロンドン行きを命じられる。
ロンドン支部で待っていたのはイケメンチャラ男の敏腕エージェントH（クリス・ヘムズワース）。
エイリアンに遭遇した人間の記憶を消すニューラライザー、空も疾走する車に装填されたスペースガンなど多彩なガジェットを駆使しながら、二人はチームを組んで調査を開始。
しかし真相に近づくにつれ、地球の存亡をかけた大事件に発展していく―。