由于在纽约自然历史博物馆担任警卫有出色表现，拉瑞（本·斯蒂勒 Ben Stiller 饰）出任某家电小公司的CEO，而且还在电视上接受了著名脱口秀主持人的访谈，儿子对他仰慕，爱情如影随形，一派春风得意的样子。不过，好景不长，当他故地重游，却意外发现馆长已经因为更新展览并准备把过时的展品挪到华盛顿的史密森博物馆继续展出。这让拉瑞感到有些气愤，他觉得自己有责任重振博物馆之雄风，于是他决定留下来再做一晚警卫，以唤起那些老朋友的共同努力。事实上，在搞定了罗斯福（罗宾·威廉斯 Robin Williams 饰）、林肯、拿破仑、伊凡雷帝和阿尔•卡邦等人之后，他遭遇了一个劲敌——邪恶的古埃及法老的卡门拉，二人在夜晚再度上演了博物馆的惊魂对决……

第一部电影事件发生三年后，拉里·戴利辞去了美国自然历史博物馆夜班警卫的工作，创办了一家公司，在直接反应电视上销售自己的发明。他参观了博物馆，得知大部分展品将被转移到史密森尼学会档案馆，并替换为全息显示器，但阿克曼拉的石板将留在后面，使离开的展品无法在夜间复活。

后来，拉里接到了微型牛仔杰迪戴亚打来的惊慌电话，杰迪戴亚解释说，猴子德克斯特把平板电脑带到了史密森学会，在那里他们受到了阿克门拉的哥哥卡门拉的攻击。拉里前往华盛顿特区，冒充夜间警卫潜入档案馆，在那里他发现他的朋友们被卡蒙拉困住了，卡蒙拉计划利用平板电脑的力量征服世界。

在被俘的乔治·A·卡斯特将军的帮助下，拉里与阿米莉亚·埃尔哈特会合。他们在时代广场的胜利日照片中躲避了卡门拉的士兵，导致卡门拉招募伊凡雷帝、拿破仑·波拿巴和阿尔·卡彭取回平板电脑。拉里被抓获，但当平板电脑无法打开地狱之门时，卡门拉将杰迪戴亚困在沙漏中，并给了拉里一小时的时间来破译平板电脑的密码。

阿米莉亚爱上了拉里，当他们到达国家航空航天博物馆时，林肯纪念堂的亚伯拉罕·林肯雕像将他们误认为是情侣。他们遇到了飞行史上的各种人物，包括莱特兄弟、塔斯基吉飞行员中队和太空猴子阿布尔，而一群阿尔伯特·爱因斯坦摇头娃娃则解释说，这些组合就是圆周率的值。拿破仑、伊万和卡彭的部队抵达，促使拉里和阿米莉亚乘坐莱特飞行器逃跑。

他们撞上了史密森尼博物馆，卡蒙拉使用该组合打开大门并召唤一支荷鲁斯战士军队。微型罗马将军奥克塔维斯带着林肯雕像到来，将战士们吓回了地狱，阿米莉亚召集了一支由拉里的朋友和卡斯特组成的盟友军队，引发了一场高潮般的战斗。拉里帮助卡斯特克服了重复小大角之战的恐惧，而奥克泰维斯则营救了杰迪戴亚，而拉里则找回了平板电脑，并让卡彭、波拿巴和伊万互相对立。拉里手持手电筒，与挥舞着khopesh的卡蒙拉 (Kahmunrah) 决斗，阿米莉亚 (Amelia) 重新打开大门，拉里 (Larry) 将卡蒙拉 (Kahmunrah) 驱逐到地狱。

带着拉里和纽约展览回家，阿米莉亚透露她知道自己只是真正飞行员的蜡像，在飞回史密森学会之前，她和拉里亲吻了。两个月后，拉里卖掉了他的公司，并匿名捐款翻新自然历史博物馆，并在展品还活着时延长夜间参观时间；这些展品被认为是电子动画和雇佣的重演者，现在可以在夜间与游客互动。拉里回到原来的夜班警卫岗位，与一位名叫苔丝的访客一拍即合，她与阿米莉亚长得惊人相似。