Diez años atrás, en la Antártida, un director de documentales (Werner Herzog) está explorando una colonia de pingüinos. Un pequeño huevo pasa rodando por delante de ellos, llamando la atención de tres pingüinos rebeldes: el inteligente Kowalski (Chris Miller), el bala perdida Rico (Conrad Vernon) y el líder Skipper (Tom McGrath). Se preguntan por qué los otros pingüinos dejan que el huevo ruede, a lo que los pingüinos mayores responden que es sólo la naturaleza. Skipper rechaza con orgullo la naturaleza y persigue el huevo. El huevo rueda por un acantilado y Skipper casi lo sigue, hasta que Rico y Kowalski forman una escalera de pingüinos para salvarlo. El cineasta sigue documentando a los pingüinos y hace que el operador del micrófono de brazo los empuje por el acantilado. Ellos y el huevo aterrizan en un viejo barco. Son acorralados por tres focas leopardo. Los pingüinos luchan contra ellas y se lanzan fuera del barco con el huevo, lo que hace que el barco explote. Los pingüinos celebran su victoria golpeando las aletas (un "alto"), antes de que el huevo eclosione. Nace el soldado (Christopher Knights) y los pingüinos juran compartir sus aventuras juntos.

En el presente, los pingüinos se lanzan desde una carpa de circo mientras los demás animales del zoo (Alex, Marty, Melman, Gloria, etc.) bailan al ritmo de "Afro Circus", del que los pingüinos están hartos. Es el cumpleaños del soldado, y la banda decide celebrarlo irrumpiendo en el suministro de oro de Fort Knox. Gasifican a los guardias y consiguen entrar en la cámara acorazada, sólo para pasar a una máquina expendedora que produce un aperitivo prohibido llamado Cheesy Dibbles, al que los pingüinos son muy aficionados. Skipper le da a Private una moneda de oro para que se haga con una bolsa. Mientras Private lo hace, es arrastrado hacia la máquina. Los otros pingüinos son arrastrados por los tentáculos del pulpo. La máquina expendedora es entonces arrastrada hacia el cielo por un helicóptero.

Los pingüinos son llevados a un laboratorio secreto en Venecia, Italia. Es la guarida del científico loco Octavius Brine (John Malkovich), que no es más que un disfraz para ocultar la identidad de un siniestro pulpo llamado... ¡Dave! Éste conoce a los cuatro pingüinos, aunque ellos no tienen ni idea de quién es. Según Dave, era muy querido en sus días en el zoológico de Central Park, hasta que los pingüinos fueron llevados allí y le robaron el protagonismo. Dave fue enviado a todos los zoológicos del mundo, sólo para ser eclipsado por otros pingüinos. Solo y abatido, ha formado un equipo de pulpos pícaros para crear una sustancia viscosa verde que acabe con todos los pingüinos del mundo. Rico se traga el frasco de sustancia viscosa y se une a sus hermanos para escapar de la guarida. Los secuaces de Dave persiguen a los pingüinos por el canal hasta que llegan a un callejón sin salida. En ese momento, un búho nevado, una foca bebé y un oso polar someten a los pulpos y se llevan a los pingüinos a bordo de una aeronave de gran alcance.

La aeronave llega a un cuartel general secreto. Los pingüinos se encuentran cara a cara con El Viento del Norte, dirigido por el lobo Agente Clasificado (Benedict Cumberbatch). La foca bebé es Short Fuse (Ken Jeong), el experto en demoliciones; el búho nevado es Eva (Annet Mahendru), la analista de inteligencia, de la que Kowalski se encapricha; y el oso polar es el cabo (Peter Stormare), que es el músculo y también le gustan mucho los pingüinos por su monada. El cabo se enfrenta inmediatamente a Skipper. Sin embargo, también están cazando a Octavius Brine, sin saber su verdadera identidad hasta que los pingüinos se la revelan y también que tienen su sustancia viscosa, que se conoce como suero de Medusa. A continuación, Dave hackea el sistema informático de Viento del Norte (mientras no consigue encender bien el micrófono). Dave revela que tiene un montón de suero con él. Los pingüinos intentan coger el equipo de Viento del Norte para ir ellos mismos a por Dave, pero Classified los tranquiliza.

Los pingüinos se despiertan en un avión que se dirige a (lo has adivinado) Madagascar. Se liberan de su caja y Skipper presiona las puertas de la bodega para sacarlos de allí. Caen del avión y aterrizan en tierra con Skipper y Kowalski usando a Rico para inflar una casa hinchable. Después de pasar una hora jugando en ella, los pingüinos excavan hasta llegar a Shanghái (que confunden con Dublín, Irlanda). Ven en las noticias que los pingüinos de todo el mundo están desapareciendo. Deducen que Dave está secuestrando a todos los pingüinos de todos los zoológicos del mundo a los que ha sido enviado. Su próximo objetivo está en Shanghai para llevarse a los queridos Pingüinos Sirena. Se envían por correo a Shangai inmediatamente (y son devueltos al mismo lugar segundos después).

El Viento del Norte se entera de que los pingüinos nunca llegaron a Madagascar. También se dirigen a Shanghai. Mientras tanto, los pingüinos se cuelan en el zoo de Shanghai, mientras Dave se disfraza de Octavius Brine. Skipper hace que Private se disfrace de pingüino sirena, lo que sólo hace que Private se sienta mal, ya que no se siente tan útil para el equipo como los otros tres. Private se convierte en una distracción, atrayendo a la gente hacia él mientras los pingüinos rompen el tanque de los leones marinos para coger a Dave. El soldado raso es entonces introducido en el tanque con los otros pingüinos sirena. El Viento del Norte llega a tiempo mientras los pingüinos atrapan a Dave bajo un enorme esqueleto. Sin embargo, éste escapa por una tubería y vacía el tanque de los Pingüinos Sirena, llevándoselos a ellos y a Private. Los demás pingüinos llegan demasiado tarde para salvarle. Dave escapa en su submarino. Los pingüinos descubren el avión de Viento del Norte y lo secuestran. Eva vuela tras ellos mientras Clasificado hace que Mecha Corta y el Cabo le ayuden a perseguirlos. Los pingüinos, incapaces de pilotar la aeronave, activan accidentalmente la secuencia de autodestrucción, haciendo volar la aeronave tras caer de ella.

Los pingüinos están atrapados en una balsa salvavidas atada a la propia balsa de lujo de Viento del Norte. Siguen la señal del soldado desde que Classified puso un dispositivo de localización en los tranquilizantes. Les lleva a una isla remota. Skipper planea un loco plan para entrar y rescatar a Private, pero Classified tiene un plan mucho más elaborado que incluye sus artilugios y alejarse de las explosiones sin mirar atrás. Skipper se da cuenta de que su plan es mejor y decide que es lo mejor para rescatar a Private.

Dave descubre que ha capturado a Private y le muestra lo que hará el suero de Medusa. Coge un grillo y le dispara con un láser que produce el suero, convirtiéndolo en un monstruo horrible, que es lo que planea hacer con todos los demás pingüinos.

Mientras el Viento del Norte se infiltra en la base de Dave, los pingüinos crean una distracción vistiendo liederhosen y entreteniendo a los pulpos. Por desgracia, los pulpos de la guarida capturan a Viento del Norte. Los otros tres pingüinos esperan que saquen a Private, pero también son capturados.

Dave ata a Soldado a una silla para usar el suero en él mientras sus hermanos están atrapados y obligados a mirar. Intentan que Rico tosa algo y se escape, pero Private parece estar electrocutado y desintegrado.

Resulta que en realidad ha escapado con un clip que se ha tragado después de quitárselo a Rico. Luego salva al Viento del Norte de ser pulverizado en una máquina de la muerte. En lugar de ir a salvar al resto de los pingüinos, Classified opta por volver al cuartel general para conseguir más equipo. Soldado intenta persuadirles de que se queden y luchen inmediatamente, porque eso es lo que haría Skipper. El Viento del Norte se marcha mientras Private se queda para luchar.

Dave lleva su submarino a la ciudad de Nueva York, donde una multitud de personas espera ansiosamente el regreso de los pingüinos. Los pulpos activan el láser y mutan a los pingüinos, empezando por Skipper, Rico y Kowalski. Dave emerge con su traje humano y presenta a los pingüinos ante todos en su forma mutada. Aterrorizan a todos y Dave les dice que llamen a los exterminadores. Los exterminadores llegan inmediatamente y aspiran a los pingüinos mutantes. El soldado raso intenta entonces encontrar una forma de llegar a sus hermanos. Comienza con Skipper, poniendo la cara de bobo que siempre le divierte. Skipper recupera su personalidad normal, y consiguen que Kowalski y Rico hagan lo mismo (aunque Rico ya está loco sin importar su aspecto).

Los pingüinos deciden que, para revertir los efectos del suero, necesitan algo con el máximo poder de la monada, y eso sería Private. Se ata al láser y lo utiliza en un pingüino. Éste vuelve a la normalidad, pero hace que a Private le crezca un brazo en el trasero. Entonces, el Viento del Norte llega en un camión de helados. Lo conducen hacia el submarino de Dave, provocando una explosión de la que se alejan dramáticamente... sólo para ser atrapados por el vehículo exterminador. Los pingüinos atan la colección de bolas de nieve de Dave al láser, sólo para que la batería del control remoto esté baja. Skipper envía a Rico a la tienda más cercana para que consiga pilas mientras ellos siguen luchando. Dave se lanza hacia los pingüinos, justo cuando Rico regresa con pilas y una bolsa de Cheesy Dibbles. Dave intenta entrar en la máquina para detener a Private, pero Rico le lanza a Skipper las Dibbles justo cuando él y Kowalski son absorbidos por los vehículos. Skipper cambia las pilas y lanza un Dibble sobre el botón, activando el láser y haciendo que todos los pingüinos vuelvan a ser su adorable y mimoso ser. Los efectos hacen que Private se encierre en una crisálida antes de volver a salir del cascarón con cuernos de alce en la cabeza. Skipper le dice a Private que es el miembro más valioso del equipo. El resto de los pingüinos y el Viento del Norte lo ven como un héroe. De repente, se oye un estruendo. Dave se eleva sobre todos como un simpático pulpo... aunque acaba encogido y metido en una bola de nieve. Skipper se lo lanza a una niña. Dave ha encontrado por fin la atención que deseaba... aunque la niña agita el globo como una loca por la nieve.

Clasificado les dice a los cuatro pingüinos que son las aves más valientes que ha visto. Eva se acerca a Kowalski y le besa. El Viento del Norte regala a cada uno de los pingüinos mochilas propulsoras. Se divierten y vuelan alto en el cielo.

Durante los créditos, los pingüinos encuentran a los lémures Rey Julien (Danny Jacobs) y Mort (Andy Richter). Utilizan a Mort y su simpatía en el láser para que Private vuelva a la normalidad. Julien se queja entonces de que no le ha pasado nada a Mort. Mort se traga entonces a Julien entero. Julien está satisfecho.