Sterling y Walter llegan a la bóveda de datos de H.T.U.V. en Venecia para evitar que Killian se lleve la base de datos que contiene la información de todos los empleados de la agencia, pero antes de que puedan entrar, Walter se encuentra con Marcy, Ojos, Orejas y un montón de otros agentes de Asuntos Internos. Sterling utiliza su forma de paloma para mezclarse con una bandada de otras palomas que se encuentran alrededor. Marcy intenta persuadir a Walter para que entregue a Sterling, sacando a relucir a su madre policía y cómo murió en acto de servicio, e incluso le promete ayudarle a recuperar su trabajo, así como darle un nuevo laboratorio y todo el equipo que necesite para demostrar a H.T.U.V. lo buenos que son sus inventos. Walter se niega a decirle dónde está Sterling, diciendo que deberían trabajar todos juntos. Cuando está a punto de esposarlo, una explosión arrasa con los pisos superiores de la bóveda de datos. Marcy esposa a Walter y entra con los agentes, pero Sterling se quita las esposas y él y Walter los siguen.

El dúo encuentra a los agentes de Asuntos Internos enfrentándose a un dron M9 Assassin que tiene en su poder una tableta que contiene la base de datos, y el escuadrón de Asuntos Internos se ve abrumado y enjaulado en unos escombros mientras el dron escapa hacia el tejado. Sterling y Walter les persiguen, pero el dron es más rápido que ellos, así que Walter lanza a Sterling desde el tejado para que vuele tras él, ya que las palomas son voladoras rápidas. Desgraciadamente, todavía no ha cogido el tranquillo al vuelo, por lo que recibe la ayuda de la paloma mascota de Walter, Lovey, así como de Jeff y Crazy Eyes, dos palomas salvajes que se han hecho amigas de Sterling. Las palomas se adueñan de la tableta y juegan a no perder el avión no tripulado hasta que Walter se acerca a ellos en una moto requisada y hace la captura final, y el avión no tripulado se estrella en un canal. Sin embargo, cuando los protagonistas llegan a la Piazza San Marco momentos después, Killian le tira la ropa a Walter del scooter, luego recupera la tableta y pone a Walter bajo su pie. Walter pide ayuda a Sterling, y Killian se burla de él para que salga y se enfrente a él, durante lo cual vemos a Sterling salir del scooter accidentado con el pie enredado en unos cables. Justo cuando Killian está a punto de matar a Walter, Sterling grita el nombre de Walter, distrayendo a Killian y permitiendo a Walter lanzar algunas migas de pan sobre Killian para atraer a los cientos de palomas de la plaza. Los pájaros vuelan alrededor de Killian, lo que permite a Sterling, Walter y sus amigos palomos escapar, y Killian pronto se encuentra asaltado por detrás por Marcy, Ojos y Orejas. Se pone su disfraz de Sterling y huye en otro dron usando su brazo biónico, y su brazo no pasa desapercibido para los tres agentes y hace que Marcy dude de sus sospechas sobre Sterling.

Sterling, Walter y sus amigos palomos (además de unas palomas venecianas que venían con ellos) escapan al mar a través del submarino del yate de Sterling, y Walter revela que pudo colocar un dispositivo de rastreo a Killian mientras las palomas lo pululaban. Cuando Sterling le dice a Walter que no podría haberlo hecho sin él, Walter le abraza y le aprieta lo suficiente como para que ponga un huevo de repente. Walter se da cuenta allí de que, desde que utilizó el ADN de Lovey para el suero de transformación, ha convertido a Sterling en una paloma hembra, así que perfecciona el antídoto del suero con este conocimiento y Sterling lo bebe, convirtiéndolo de nuevo en un humano. Momentos después, llegan a las instalaciones armamentísticas encubiertas de H.T.U.V. situadas en una isla del Mar del Norte, de las que Killian se ha apoderado, pero Sterling tranquiliza a Walter y lo envía de vuelta al mar en el submarino antes de entrar a enfrentarse a Killian, negándose a que le hagan daño.

Sterling se cuela en las instalaciones y se enfrenta a Killian en su despacho tras destruir otro de sus drones, pero Killian conecta la base de datos robada a un ordenador cercano y carga todos los perfiles del personal de H.T.U.V. en los más de 1.000 drones que tiene, todos los cuales aparecen detrás de Sterling. Uno de ellos lo noquea con una descarga eléctrica. Cuando Sterling vuelve en sí, se encuentra atado a una silla, y Killian pronto le revela que el lado izquierdo de su cara también es biónico. Le explica que busca vengarse de Sterling y del H.T.U.V. porque, mientras estaba en Kirguistán con su equipo hace años, todos fueron atacados por Sterling y la agencia, y él fue el único que sobrevivió. Sin embargo, quedó muy desfigurado, por lo que sustituyó las partes de su cuerpo perdidas y dañadas por los implantes biónicos. Sintiendo que Sterling y H.T.U.V. le quitaron todo, Killian mandó crear todos los drones y cargó la base de datos en ellos porque planea enviar los drones a la sede de la agencia en Washington D.C. y matar a todos los que trabajan allí. Sin embargo, dejará que Sterling viva para que pueda entender cómo se siente el tipo de pérdida que él experimentó, aunque en un contexto más duro.

Killian lanza entonces los drones, pero momentos después, la alarma de proximidad de la instalación se dispara, y Killian y Sterling descubren a través del ordenador que el submarino de Walter está regresando a la isla. Después de que Sterling se diga a sí mismo que Walter debe estar volviendo a por él (aunque en realidad Walter está empezando a despertarse), Killian envía dos de los muchos drones restantes hacia el submarino y lo hace explotar mientras obliga a Sterling a mirar, y luego le dice a Sterling que le está quitando todo antes de salir de la habitación. Más tarde, Walter y las palomas aparecen para liberar a Sterling, y Walter le muestra que ha sobrevivido a la explosión utilizando su "Abrazo hinchable", una esfera hinchable que encierra y protege a su usuario de cualquier cosa peligrosa. Walter le dice a Sterling que siempre le cubrirá la espalda porque eso es lo que significa ser un equipo, y Sterling le responde que es un buen amigo. Walter le pregunta entonces cuál es su plan para detener a Killian, y Sterling le responde que esta vez lo harán a su manera y utilizarán sus extraños artilugios para detener al villano. Walter decide entonces ponerse en contacto con Marcy para conseguir su ayuda y la de sus agentes para el próximo enfrentamiento.

Sterling y Walter se dirigen a las ruinas del edificio de la fachada de las instalaciones, y Sterling se enfrenta a Killian y a sus drones mientras Walter se esconde de la vista y comienza a hackear el brazo biónico de Killian para poder controlarlo y apagar todos los drones. Sterling, las palomas y Marcy y sus agentes lanzan entonces su ataque combinado contra Killian y los drones utilizando las armas no letales de Walter, y Marcy también se toma un momento para disculparse con Sterling por haberlo juzgado mal. Mientras tanto, los más de 1.000 drones que Killian envió a D.C. son vistos llegando a las afueras del cuartel general de H.T.U.V., y envían un pulso que apaga todo el lugar antes de empezar a irrumpir en él. Sterling y los demás consiguen acabar con el grueso de los drones contra los que luchan, pero Killian golpea a Ojos Locos, lo que provoca que la pluma múltiple de Walter -que sigue clavada en su tripa- rocíe un montón de suero de la verdad por su pico y lo haga volar por todos lados. Este suero salpica a Killian, Sterling y Marcy mientras estos dos últimos intentan evitar que Killian utilice un arma que ha cogido de un dron destrozado, y Ojos Locos no tarda en estrellarse contra una pared y toser la pluma. Sterling y Marcy siguen forcejeando con Killian hasta que su arma se dispara de repente y deja al descubierto el escondite de Walter, y bajo la influencia del suero de la verdad, Sterling le dice a Killian que Walter le está hackeando el brazo para apagar los drones. Killian arroja a Sterling y a Marcy fuera de él y detiene los esfuerzos de Walter antes de intentar salir volando en otro dron, pero Walter coge su pluma múltiple y utiliza el "Serious String" (una sustancia rosa y gomosa) que contiene para agarrar la pierna de Killian y detenerlo. Sin embargo, Killian resulta ser demasiado fuerte para él, y Walter empieza a ser arrastrado hacia el cielo. Sterling intenta impedirlo, pero sólo consigue arrancar la mochila de Walter, que contiene su laboratorio móvil y otra muestra del suero de transformación, y Lovey aterriza junto a él y se le cae una de las plumas.

Killian utiliza la Cuerda Seria para tirar de Walter hacia él justo cuando éste termina de hackear su brazo, y Killian le dice que, si pulsa el botón "Sí" para activar la desconexión, ambos caerán al vacío. Walter responde atrapándolo en el Abrazo Hinchable, dejando su mano con garras libre pero sin poder hacer nada, y pulsa el botón mientras empieza a caer en picado hacia el suelo, justo a tiempo para impedir que todos los drones de D.C. maten a un solo empleado de H.T.U.V. Mientras Walter sigue cayendo, Sterling vuela en su forma de paloma para rescatarlo, tras haber bebido de nuevo el suero y haber aprendido por fin a volar. Se agarra a Walter, y entonces Lovey, Jeff, Ojos Locos y las palomas venecianas vuelan y se agarran también a Walter, y el aleteo combinado de sus alas frena en gran medida el descenso de Walter. Sterling y Walter aterrizan bruscamente en la hierba, pero están prácticamente ilesos. Ojos, Orejas y un grupo de agentes encuentran a Killian vivo, flotando en el agua en el Abrazo Hinchable, y lo ponen bajo arresto (aunque no antes de que Ojos comente con sorpresa que Walter realmente lo salvó, algo que incluso sorprende un poco a Killian). Marcy encuentra a Sterling y Walter y se ríe de la forma de paloma de Sterling.

A pesar de haber salvado el mundo, Sterling -de vuelta en su forma humana- y Walter son despedidos del H.T.U.V. por múltiples infracciones por parte de ambos, pero Sterling le dice a Walter que su madre estaría orgullosa de él ahora mismo, ya que sus métodos han mantenido a salvo a mucha gente. Sin embargo, de repente les vendan los ojos y los meten en una furgoneta, y cuando les quitan la venda descubren que fue Marcy quien los secuestró. La directora Jenkins aparece entonces en una pantalla de vídeo y esencialmente les dice a ambos que están recontratados, luego le dice a Walter que él es el futuro del H.T.U.V. y que necesitan gente como él que pueda ayudar a la agencia a hacer las cosas de una manera nueva, y ella quiere que él lidere un nuevo equipo con Sterling en él. La película termina con Sterling y Walter en una misión juntos y utilizando los inventos de Walter para salvar el día.