ニューヨークの自然史博物館を見事に守り抜き、息子との絆も取り戻した夜の警備員ラリー・デリー（ベン・スティラー）は、その後自分のビジネスも成功して、多忙な毎日を送っていた。一方、博物館の展示物たちは魔法の石版のおかげで、毎夜自由に動き回り、博物館ライフを謳歌していた。だが、自然史博物館にハイテクの波が押し寄せ、展示物の多くがホログラム化されることになり、不要になった展示物はワシントン、スミソニアン博物館の倉庫に移送されてしまう。その引越しが終わった夜、ミニチュアのカウボーイ、ジェデダイア（オーウェン・ウィルソン）からラリーに助けを求める電話がかかってくる。ニューヨークに残されるはずだった魔法の石版が一緒に運び出されてしまい、スミソニアンに眠るあらゆる展示物たちをその不思議な力で生き返らせてしまったというのだ。悲鳴とともに電話は切れ、いてもたってもいられなくなったラリーは、ワシントンに飛び、広大なスミソニアン博物館へと足を踏み入れる。日暮れまでに石版を持ち出そうと、ニューヨークにいる息子と協力し、なんとか目的地の倉庫にたどり着いたラリーだったが、その時、太陽が沈み石版が光を放ち始め、古代エジプトの王カームンラー（ハンク・アザリア）が3000年の眠りから甦る。しかも彼はナポレオン（アラン・シャバ）やアル・カポネ（ジョン・バーンサル）、イワン雷帝（クリストファー・ゲスト）といった悪名高き歴史上の有名な戦士たちを配下に従え、世界制服を企んでいた。カームンラーの野望を封じ込めるには、石版をニューヨークに戻さなければばらない。伝説の女性パイロット、アメリア・イヤハート（エイミー・アダムス）やリンカーンの石碑、アインシュタインの人形、考える人など歴史上の偉人・賢人を始め、伝説の巨大イカなども味方につけたラリーはカームンラーの陰謀を阻止しようと立ち上がった……。