O terrível Boris, o Animal (Jemaine Clement) foi capturado no passado pelo agente K (Tommy Lee Jones) e na época perdeu o seu braço. Vivendo na prisão lunar de segurança máxima, o alienígena consegue bolar um plano de fuga para dar andamento ao seu objetivo de recuperar o membro de seu corpo e ainda acabar com K de uma vez por todas. Para isso, ele pretende viajar no tempo e mudar o rumo da história. Para evitar que ele triunfe em seu plano maligno, o agente J (Will Smith) também volta ao passado e lá encontrará os jovens agentes K (Josh Brolin) e O (Alice Eve), descobrindo segredos que mudarão sua vida e a amizade de ambos.