En 1999, el espía británico Austin Powers disfruta de su luna de miel con su esposa, Vanessa Kensington. Se revela que Vanessa siempre ha sido una fembot controlada por el Dr. Maligno, después de que intente matar a Powers. El Dr. Maligno provoca entonces la autodestrucción de Vanessa. Austin se aflige brevemente antes de darse cuenta de que está soltero de nuevo y por lo tanto puede tener sexo sin compromiso. Una instalación de vigilancia de la OTAN observa el regreso del Dr. Maligno desde el espacio, que se enfrenta a su hijo Scott e inicia un golpe de estado en el programa de Jerry Springer. En la guarida del Dr. Evil en Seattle, se le presenta un clon de un octavo de tamaño de sí mismo, al que llama Mini-Me.

Número 2 revela que su empresa ha comprado Starbucks, pero el Dr. Evil desvela su último plan: ha desarrollado una máquina del tiempo para volver a los años 60 y robar el mojo de Austin, la fuente de su atractivo sexual. El Dr. Evil y Mini-Me viajan a 1969 y conocen a un Número 2 más joven y a Frau Farbissina. Un obeso "guardia escocés", Fat Bastard, extrae el mojo de Austin de su cuerpo congelado en el Ministerio de Defensa (MOD). La inteligencia británica advierte a Austin de que uno de los agentes del Dr. Maligno le persigue, y durante una sesión fotográfica la lasciva Ivana Humpalot le seduce, pero en el último momento afirma que es demasiado sexy para matar. Se acuestan, pero él descubre que ha perdido su encanto y es impotente.

El Ministerio de Defensa envía a Austin a 1969 utilizando un Volkswagen New Beetle que viaja en el tiempo. Austin llega a una fiesta en su apartamento de Londres y, con la ayuda de la agente de la CIA Felicity Shagwell, escapa a un intento de asesinato por parte de los agentes del Dr. Maligno. Austin y Felicity son perseguidos por Mustafá, otro de los secuaces del Dr. Maligno; cuando lo atrapan, revela la existencia de la guarida del Dr. Maligno en el volcán. Antes de que pueda revelar su ubicación, Mini-Me le dispara con un dardo, haciéndole caer por un acantilado.

Al examinar las fotografías de la escena del crimen, Austin identifica a Fat Bastard como el autor del robo de su mojo. En la guarida del Dr. Evil, Fat Bastard llega con el mojo de Austin. El Dr. Maligno bebe un poco y se acuesta con Frau Farbissina. Esto provoca una situación incómoda cuando Frau revela que está embarazada antes de que Scott, el hijo del Dr. Evil, llegue a través del portal del tiempo. El Dr. Evil anuncia su último plan: pedir un rescate al mundo amenazando con destruir las ciudades con un láser en la Luna. En Londres, Austin y Felicity se conocen, pero cuando Felicity intenta tener sexo con él, él la rechaza debido a su pérdida de mojo.

Bajo las instrucciones de MOD de implantar un dispositivo de localización en Fat Bastard, Felicity lo seduce y tiene sexo con él, lo que le permite plantar el dispositivo en su ano. Fat Bastard lo fuerza a salir de sus entrañas en un retrete de la estación de Paddington, pero una muestra de heces revela rastros de un vegetal que sólo crece en una isla del Caribe. Austin y Felicity llegan a la isla pero son detenidos. Los meten en una celda con un guardia que se ve superado cuando Felicity expone sus pechos. El Dr. Evil y Mini-Me parten hacia la Luna para instalar el láser que persiguen Austin y Felicity en el Apolo 11. En la base lunar del Dr. Maligno, Austin lucha con Mini-Me, que acaba arrojándolo al espacio. Mientras Austin se enfrenta al Dr. Evil, éste le da a elegir: salvar el mundo o a Felicity, que está encerrada en una cámara con gas venenoso.

Felicity le dice a Austin que salve el mundo y él lo consigue, pero Felicity muere. Antes de que Austin pueda matarlo, el Dr. Maligno le sugiere que utilice la máquina del tiempo para salvar tanto a Felicity como al mundo. Austin viaja diez minutos al pasado, encontrándose consigo mismo y salvando al mundo y a Felicity. El Dr. Evil pone en marcha el mecanismo de autodestrucción de la base lunar y escapa tras lanzar el mojo de Austin al aire. Los dos Austin no logran atraparlo y se destruye. Felicity señala que todas las cosas que Austin ha hecho demuestran que nunca perdió su mojo. Escapan a través del portal del tiempo a 1999.

En el apartamento de Austin, Fat Bastard hace otro intento de asesinar a Austin, pero Felicity lo desarma. Felicity y Austin celebran una fiesta. En 1969, el Dr. Maligno recupera a Mini-Me del espacio y jura vengarse. En el programa de Jerry Springer, Scott se entera de que es el hijo adoptivo del Dr. Maligno y de Frau Farbissina. Austin vuelve a su apartamento y descubre a Felicity con el Austin del pasado, que afirma que, como él y Austin son la misma persona, no es un engaño.