Il était une fois, Gru (voix de Steve Carell) rêvait de voler la lune – de nos jours, il est un père adoptif célibataire de trois filles précoces. Ayant abandonné sa spectaculaire vie de crime, Gru vise maintenant à produire une délicieuse nouvelle ligne de confitures avec l'aide de ses petits sbires et de son vieil ami le Dr Nefario (voix de Russell Brand). Se sentant insatisfait dans son nouveau rôle de confiturier, le Dr Nefario annonce qu'il partira pour des pâturages plus maléfiques juste au moment où Gru est approché par la Ligue Anti-Méchants pour capturer le mystérieux coupable qui vient de voler un laboratoire de recherche top secret rempli de PX 41 – un sérum expérimental ayant le pouvoir de transformer des animaux inoffensifs en monstres voraces. L'AVL est certaine que le coupable brouille les pistes en se faisant passer pour un petit commerçant dans un centre commercial local, et confie à leur meilleure agente, Lucy (Kristen Wiig), la tâche d'aider Gru à l'identifier. Pendant ce temps, la fille adoptive la plus âgée de Gru, Margo (voix de Miranda Cosgrove), tombe amoureuse de l'adolescent rebelle Antonio (voix de Moises Arias), le fils à la veste de cuir du bruyant propriétaire de cantine mexicaine Eduardo (voix de Benjamin Bratt). Maintenant, alors que les instincts paternels de Gru sont pleinement activés au moment même où un complot diabolique commence à se dérouler, le nouveau père dévoué doit diviser son temps entre sauver le monde d'un super-vilain énigmatique et sauver Miranda d'un chagrin total. Pendant tout ce temps, une mère appropriée pour les filles aurait pu se trouver sous le nez pointu de Gru depuis le début.