Vier New Yorker Zootiere – das abenteuerliebende Zebra Marty, der eitle Löwe Alex, die hypochondrische Giraffe Melman und die divenhafte Nilpferddame Gloria – machen nach Martys zehntem Geburtstag die Straßen außerhalb des Central Park Zoos unsicher. Erst kurz zuvor war der vorlaute Marty von den vier Pinguinen Skipper, Private, Kowalski und Rico zu diesem Fluchtplan überredet worden, denn eigentlich stehen Gloria, Melman und Alex, alle im Zoo verwöhnt, diesem Vorhaben sehr skeptisch gegenüber. Nach einer langen Nacht, die sie vor allem auf der Flucht vor der Polizei verbringen, finden sich die vier Freunde sowie die Gruppe der Pinguine und die Schimpansen Mason und Phil in Holzkisten auf einem Schiff in Richtung Kenias Nationalpark wieder.

Der kleine Löwe Alekey lebt mit seinem Vater Zuba, dem Anführer des Rudels, in einem Reservat in Afrika. Eines Tages fordert Makunga, der selbst das Rudel anführen möchte, Zuba zu einem Kampf heraus. In der Zwischenzeit folgt Alekey einem als Falle ausgelegten Seil und wird an der Grenze des Reservates von Tierfängern gefangen genommen. Zuba versucht vergeblich, Alekey vom Truck der Tierfänger zu retten. Während des Seetransportes fällt die Kiste mit dem gefangenen Alekey unbemerkt ins Meer, bis er gefunden und gerettet wird. Im Central Park Zoo in New York wächst er unter seinem neuen Namen Alex zu einem stattlichen Löwen heran und wird zur Attraktion des Zoos.

Da sein Heimatplanet kurz vor der Vernichtung durch ein schwarzes Loch steht, schicken seine Eltern Megamind als Säugling in einem Raumschiff fort. Auf dem Nachbarplaneten ereilt Metro Man das gleiche Schicksal. Beide landen auf der Erde in Metro City und wachsen unter völlig unterschiedlichen Umständen auf. Metro Man wird von einem wohlhabenden Paar adoptiert und entwickelt sich dank seiner Superkräfte zu einem Superhelden. Megamind wächst in einem Gefängnis zu einem Superschurken mit außergewöhnlicher Intelligenz heran. Unterstützt wird er dabei von seinem treuen Gehilfen Minion, einem Fisch mit einem gorillaähnlichen Roboterkörper.

Alex der Löwe, Marty das Zebra, Melman die Giraffe und Gloria das Nilpferd vermissen in Afrika die nach Monte Carlo abgereisten Pinguine und Schimpansen. Schon bald machen sich die vier selbst auf den Weg nach Europa. Nachdem die Freunde wieder vereint sind, werden sie vom monegassischen Tierfängerdienst um Captain Chantel DuBois verfolgt. Den Tieren gelingt die Flucht, indem sie sich einem Wanderzirkus anschließen. Dieser Zirkus, der vom sibirischen Tiger Vitaly geleitet wird, hat seine besten Zeiten hinter sich, wird aber von Alex und seinen Freunden neu motiviert. Die Reise des Wanderzirkusses führt durch mehrere europäische Städte und endet in London, wo der Zirkus für Auftritte in Amerika engagiert wird. So kommen die Freunde schließlich nach New York zurück.