Flynn Ryder (Zachary Levi/Luciano Huck) é o bandido mais procurado e sedutor do reino. Um dia, em plena fuga, ele se esconde em uma torre. Lá conhece Rapunzel (Mandy Moore), uma jovem prestes a completar 18 anos que tem um enorme cabelo dourado, de 21 metros de comprimento. Rapunzel deseja deixar seu confinamento na torre para ver as luzes que sempre surgem no dia de seu aniversário. Para tanto, faz um acordo com Flynn. Ele a ajuda a fugir e ela lhe devolve a valiosa tiara que tinha roubado. Só que a mamãe Gothel (Donna Murphy), que manteve Rapunzel na torre durante toda a sua vida, não quer que ela deixe o local de jeito nenhum.

Muito antes de conhecer o ogro Shrek e sua turma, Gato de Botas (Antonio Banderas) vai viver uma grande aventura ao lado de Humpty Dumpty (Zach Galifianakis) e Kitty Pata Mansa (Salma Hayek). Dipostos a roubar os feijões mágicos do casal fora da lei Jack (Billy Bob Thornton) e Jill (Amy Sedaris), o trio quer mesmo é botar as mãos na famosa gansa que bota ovos de ouro. Mas algumas coisas não estavam nos planos e Gato vai descobrir, meio atrasado, que tem um grande problema pela frente para conseguir limpar o que ficou para trás: a  sua honra.

Dr. Hank Pym (Michael Douglas), o inventor da fórmula/ traje que permite o encolhimento, anos depois da descoberta, precisa impedir que seu ex-pupilo Darren Cross (Corey Stoll), consiga replicar o feito e vender a tecnologia para uma organização do mal. Depois de sair da cadeia, o trambiqueiro Scott Lang (Paul Rudd) está disposto a reconquistar o respeito da ex-mulher, Maggie (Judy Greer) e, principalmente, da filha. Com dificuldades de arrumar um emprego honesto, ele aceita praticar um último golpe. O que ele não sabia era que tudo não passava de um plano do Dr. Pym que, depois de anos observando o hábil ladrão, o escolhe para vestir o traje do Homem-Formiga.