La película comienza con una apertura de "Anteriormente en 21 Jump Street", con una breve recapitulación de la última película en la que los oficiales Schmidt (Jonah Hill) y Jenko (Channing Tatum) se asociaron y se hicieron amigos después de atrapar a los traficantes de drogas Sr. Walters (Rob Riggle) y Eric Molson (Dave Franco), hasta que el capitán Dickson (Ice Cube) les asigna su nueva tarea: ir a la universidad.

Schmidt se lamenta de que él y Jenko estén tomando cursos online en lugar de estar realmente allí. A continuación, se dirigen al puerto de Metro City para asumir una misión. Allí, encuentran al buscado capo de la droga, El Fantasma (Peter Stormare), un hombre que se dice que ha hecho conexiones con el cartel mexicano. Schmidt se disfraza de cholo y se mete en el personaje para infiltrarse en la banda, pero Jenko sabe que es pésimo improvisando. Los dos se reúnen con Ghost y sus hombres en un almacén, donde Schmidt interpreta su papel mientras que Jenko se muestra poco convincente. Fantasma les deja entrar en su camión para comprobar sus suministros. Los dos abren una caja y un pulpo salta sobre la cara de Schmidt, entrando en su boca. En su pánico, los dos dejan caer sus acentos y son descubiertos. Ghost y sus hombres disparan a Schmidt y Jenko y escapan en el camión. Jenko salta a la parte superior del camión para atrapar a los matones, mientras que un nervioso Schmidt intenta trepar. Su pie queda atrapado en una red y cae, colgando sobre el borde del camión. Jenko se dirige a la parte delantera y rompe el parabrisas, casi deteniendo a Ghost, hasta que Schmidt se sube a la parte superior del camión y choca con una viga, quedando él y Jenko atrapados con la red en la viga, dejando que Ghost y sus hombres escapen.

Los chicos se reúnen con el jefe Hardy (Nick Offerman) por su última metedura de pata. Hardy sugiere que esto no habría sucedido si volvieran a hacer el programa encubierto de Jump Street como la última vez. Añade que aunque nadie tenía fe en su reinicio, los chicos tuvieron suerte y ahora tienen el doble de presupuesto para seguir adelante con una nueva misión (una obvia broma meta a la secuela). Los chicos son enviados a la iglesia vietnamita de enfrente, ya que los coreanos volvieron a comprar la iglesia de 21 Jump Street, por lo que ahora deben presentarse en 22 Jump Street. Allí, los chicos quedan impresionados por el aspecto de alta calidad de la sede y ven que los amigos empollones de Jenko del instituto son ahora becarios. Se presentan ante Dickson, quien les dice que van a MC State para investigar la aparición de una nueva droga llamada WhyPhy (siglas de "Word Hard? Yes. Play Hard? Yes"). Los chicos reciben un expediente de una víctima de la droga, Cynthia Watson. Estaba drogada con WhyPhy y se cayó por la ventana hasta morir. También reciben una foto de Cynthia intercambiando la droga con un sospechoso desconocido.

Schmidt y Jenko llegan a MC State, una vez más bajo sus alias de Brad y Doug McQuaid, y se adaptan a su residencia y a su vuelta a la vida universitaria. Conocen a los gemelos Yang, Keith y Kenny (los hermanos Lucas), que tienen una conexión gemelar muy interesante. A continuación, los chicos se dirigen a algunas clases para tratar de encontrar posibles traficantes. Schmidt toma una clase de psicología e inmediatamente se piensa que es un narco. Jenko toma una clase de historia impartida por un profesor (Patton Oswalt) que presiona a Jenko para que cuestione sus clases, ya que eso es lo que cree que es la universidad para que alguien se encuentre a sí mismo. El profesor también admite haberse acostado con dos estudiantes. Más tarde, los chicos acuden a una noche de micrófono abierto para poesía slam, donde Schmidt conoce a una bonita chica de su clase llamada Maya (Amber Stevens). Sube al escenario para hacer un extraño poema en honor a Cynthia, que consigue unas cuantas risas.

Sin pistas, Schmidt y Jenko se dan cuenta de que necesitan consultar a un experto. Van a la cárcel a visitar al Sr. Walters, que presume de tener una vagina y de ser la perra de Eric (éste lo niega y ruega a los chicos que lo saquen). Walters echa un vistazo a la foto de Cynthia y el sospechoso, y se burla de los chicos por no haber mirado bien la foto para ver que el sospechoso tiene un tatuaje en el brazo de un bazooka con "BOOM" escrito en una nube. Los chicos visitan un salón de tatuajes y le preguntan al tatuador si recuerda haberle hecho ese tatuaje a alguien, y él cree que se lo hizo a un jugador de fútbol americano con una cresta roja. Jenko reconoce que la descripción coincide con un tipo de su clase de historia llamado Rooster (Jimmy Tatro).

Los chicos hacen una prueba para el equipo de fútbol. Jenko entabla inmediatamente una amistad con otro jugador llamado Zook (Wyatt Russell). Tanto Schmidt como Jenko intentan vigilar a Rooster y echar un vistazo a su brazo para encontrar el tatuaje. Jenko muestra unas habilidades impresionantes en el campo, llamando la atención del entrenador (H. Jon Benjamin). Zook invita a Jenko a una fiesta en su fraternidad más tarde esa noche, con Schmidt acompañándolo a pesar de que Jenko le dice que debería quedarse atrás. Jenko se mete con los chicos de la fraternidad, mientras que Schmidt se acerca demasiado a Rooster al intentar encontrar el tatuaje y es expulsado. Mientras Jenko se va de fiesta con Zook y los otros chicos de la fraternidad, Schmidt se encuentra con Maya y pasa el rato con ella en el edificio de arte. Acaba acostándose con ella en su dormitorio. Mientras tanto, Jenko se reúne con Zook y Rooster en el campo de fútbol, donde Jenko por fin puede ver el brazo de Rooster. Sí tiene un tatuaje, pero es del equipo de fútbol del instituto de Rooster, llamado los Red Herrings (¿lo pillas?). Resulta que Zook también tiene un tatuaje en el brazo: una bazuca con "BOOM" escrito al lado.

Schmidt se despierta y conoce a la grosera compañera de piso de Maya, Mercedes (Jillian Bell). Ella se burla de Schmidt por parecer viejo y por la forma en que sonó su sexo con Maya. Se va y Maya le dice a Schmidt que Mercedes era la compañera de piso de Cynthia, y que Maya la dejó quedarse con ella porque se sentía mal, aunque odia a Mercedes. Schmidt se reúne entonces con Jenko en el cuartel general para informar a Dickson, todavía sin pistas, aunque Schmidt se jacta de haber tenido sexo con Dickson, que le da daps para mostrar su aprobación.

Los chicos se reúnen en su dormitorio, donde están comiendo blondies. Los gemelos Yang les informan de que están mezclados con WhyPhy. Esa misma noche, los chicos se escabullen por la noche y se infiltran en la fraternidad de Zook, que está estudiando a quién le gustaría reclutar para su fraternidad. Mientras escuchan la fraternidad, oyen una gran aprobación para que Jenko se una, pero ningún amor por Schmidt. Zook cree que deberían dejarlo entrar ya que siempre está con Jenko, pero Rooster cree que pondrá en peligro lo que sea que tengan en marcha. Schmidt derriba un maniquí y hace un fuerte ruido, lo que les obliga a él y a Jenko a correr antes de que Zook les encuentre. Los chicos logran llegar a su dormitorio pero son atrapados por Zook y sus chicos, y luego son metidos en un baúl. Allí, empiezan a sentir los efectos del WhyPhy y comienzan a tener fuertes viajes. Schmidt experimenta un viaje oscuro y desagradable mientras que Jenko tiene un subidón colorido y feliz. Cuando los sacan del maletero, descubren que Zook y los demás chicos de la fraternidad sólo les están haciendo una novatada de iniciación. Someten a Schmidt y a Jenko a juegos de beber. Jenko destaca e impresiona a los chicos, mientras que Schmidt se siente incómodo y torpe. Cuando la última tarea tiene que ver con cerdos (y posiblemente con mierda de cerdo), Schmidt se va. Jenko le sigue e intenta convencerle de que se quede y se divierta, pero Schmidt no quiere saber nada. Jenko acaba pasando más tiempo con Zook mientras Schmidt se queda solo.

Schmidt recibe una sorpresa no deseada de sus padres cuando lo visitan para el fin de semana de los padres, sin darse cuenta de que está encubierto de nuevo. Conocen a Maya y la madre de Schmidt vuelve a avergonzarlo. Todo empeora cuando Schmidt descubre que el padre de Maya es Dickson. Se sientan a comer con los padres de Schmidt y la madre de Maya (Queen Latifah), lo que se vuelve incómodo cuando Dickson se da cuenta de que Schmidt se acostó con su hija. Arroja con rabia la comida de las mesas y monta una escena.

Maya está enfadada con su padre por ser demasiado controlador, así que mientras ella empieza a enrollarse con Schmidt de nuevo, él decide que sólo pueden hablar. Charlan sobre la experiencia de Schmidt en el instituto (el encubierto) Al mismo tiempo, Jenko está haciendo ejercicio con Zook, intentando que suelte detalles sobre Cynthia y WhyPhy. Zook se muestra esquivo e insiste en que sabe lo que está haciendo. Después de hablar con Maya, Mercedes vuelve a aparecer y le dice a Schmidt que Cynthia recibió algún tipo de medicación del profesor de psicología, el Dr. Murphy (Marc Evan Jackson).

Schmidt y Jenko se cuelan en la oficina de Murphy para encontrar algo, pero Murphy entra y piensa que están allí para una sesión de asesoramiento, confundiendo a los dos con una pareja gay. Los chicos se sientan para la sesión, y se desahogan sobre sus sentimientos hacia el otro, como que Jenko siente que Schmidt es demasiado pegajoso y Schmidt siente que Jenko nunca le escucha. Murphy menciona algo sobre la incrustación, en la que los detalles y demás se pasan por alto y se ignoran o se malinterpretan, lo que lleva a los dos a darse cuenta de que tal vez Zook no es el traficante de la fotografía, sino que le está comprando a Cynthia. También deducen que ella y los otros traficantes estaban escondiendo el WhyPhy en los libros de la biblioteca, ya que nadie va allí y no se molestaría en revisarlos.

Los chicos vuelven a informar a Dickson, que sigue enfadado con Schmidt por haberse acostado con Maya. Cuando Jenko deduce ese hecho, se vuelve loco y corre por el cuartel general riéndose y diciéndole a todo el mundo "¡SCHMIDT SE FOLLÓ A LA HIJA DEL CAPITÁN!". Dickson se venga de Schmidt dándole un golpe en las pelotas. Añade que no tienen más dinero en su presupuesto.

Schmidt va a la biblioteca a investigar mientras Jenko se dirige al campo para jugar un partido de fútbol. En la biblioteca, Schmidt ve a Fantasma y a sus matones esperando a alguien. Schmidt manda un mensaje de texto a Jenko para que se acerque, enviando insistentemente un mensaje tras otro hasta que Jenko abandona el partido para reunirse con él. Hacen suficiente ruido para atraer a uno de los matones de Ghost para que se acerque. Jenko finge hacerle una mamada a Schmidt para desviar la atención de ellos, pero Jenko se enfada cuando el matón les llama "maricones". Jenko le da un cabezazo, y Ghost les reconoce a él y a Schmidt como policías. Sacan sus armas y comienzan a disparar, obligando a los tipos a correr. Salen corriendo hacia el campus, donde Jenko consigue un coche con forma de casco. Ghost y sus matones los persiguen en un Hummer. Recorren todo el campus, causando una cantidad insana de daños a la propiedad. Durante la persecución, Jenko le cuenta a Schmidt que ha conseguido una beca para jugar al fútbol en MC State y que Zook le ha invitado a ser su compañero de habitación. Llegan al campo de fútbol y los frenos se rompen. Ambos saltan del coche y éste se estrella y explota contra el poste de la portería. Schmidt es detenido para ser interrogado, pero no antes de dejar que Jenko se quede atrás para que pueda cargar con la culpa por él. Abandona el campus y Maya se enfada con Schmidt por haberle mentido.

Jenko sigue pasando el rato con Zook y los demás universitarios mientras Schmidt vuelve a trabajar en el parque. El Dr. Murphy es arrestado después de que se encuentren rastros de WhyPhy en su oficina. Hardy declara el caso cerrado. Sin embargo, Schmidt investiga el expediente del caso para profundizar en él. Él y Jenko se encuentran en el parque. Schmidt se entera de que Ghost ha estado pagando la matrícula de un estudiante, mientras que Jenko le informa de que un gran suministro de WhyPhy se dirige a Puerto México para las vacaciones de primavera. Deciden formar equipo de nuevo y dirigirse allí para terminar el trabajo ellos mismos.

Los chicos llegan a Puerto México y acuden a una gran fiesta en la playa. El WhyPhy se vende por todas partes y encuentran a la persona que se lleva todo el dinero: Mercedes. La siguen hasta un almacén donde descubren que es la hija de Ghost, y que están organizando una red para distribuir WhyPhy por todo el país. Incluso las gemelas Yang están involucradas. Cuando Mercedes ve que ambos están drogados, casi los mata hasta que Schmidt y Jenko intentan detenerlos. Les superan en número todos los matones, así que Dickson y el resto de la división de Jump Street entran tras seguir el dispositivo de rastreo de Schmidt. Mientras todos abren fuego, Fantasma coge la bolsa de Mercedes con el dinero y sale corriendo. Dickson corre tras él, pero ve a Maya en el almacén de fiesta con otros. Se detiene para decirle que la chica siempre es secuestrada durante estas persecuciones climáticas, sólo para que las cosas cambien cuando Mercedes le dispara en el pie y lo secuestra. Schmidt y Jenko se separan para que Schmidt coja un Lamborghini (lo que molesta a Jenko, ya que se pasó toda la película queriendo conducir un Lambo), mientras Jenko persigue a Ghost. Se las arregla para luchar contra sus matones en la playa, utilizando una chica drogada como arma.

Schmidt conduce torpemente el Lambo hasta un hotel donde se encuentra con Mercedes. Tienen una incómoda pelea a puñetazos en una habitación en la que Mercedes sigue intentando besar a Schmidt, aunque ella niega continuamente haber intentado hacerlo. Ella le quita de encima y sale corriendo hasta que Schmidt la alcanza. Dickson, que ha conseguido salir del coche de Mercedes, le apunta con su pistola, pero ella retiene a Schmidt a punta de pistola. Es derribada por Maya, que la golpea en la cabeza con un pez de metal. Dickson y Maya arrestan a Mercedes, dejando a Schmidt para que se una a Jenko en la captura de Fantasma.

Los chicos se reúnen y encuentran a Ghost intentando escapar en un helicóptero. Un matón les dispara, y Schmidt intenta recibir una bala por Jenko (como hizo en la última película), sólo que salta demasiado pronto, por lo que Jenko vuelve a recibir un impacto en el brazo. Jenko mata al matón y llega al helicóptero mientras éste despega. Jenko salta desde el techo y se agarra al helicóptero, y Schmidt también logra dar el salto. Mientras sobrevuelan la playa, Jenko resbala y Schmidt lo atrapa. Le ordena a Jenko que meta la mano en los calzoncillos de Schmidt para coger una granada. Se resbalan y caen del helicóptero, pero Jenko consigue lanzarla dentro del helicóptero, destruyéndolo y todo el suministro de WhyPhy (más tarde se revela que Ghost ha sobrevivido a la explosión). Cuando los dos aterrizan en el océano, son aplaudidos por todo el público, incluidos Rooster y Zook.

Dickson felicita a los chicos por haber arreglado su metedura de pata, y luego les dice que su próxima misión es la escuela de medicina. Esto se prolonga hasta los créditos, ya que Dickson sigue asignándoles nuevas escuelas, lo que allana el camino para un montón de falsas secuelas de "Jump Street", llevándoles a lugares como la escuela culinaria y una academia de vuelo, con cameos de Bill Hader, Anna Faris, Richard Grieco (que retoma su papel original de "Jump Street" como Booker), e incluso Seth Rogen como sustituto temporal de Schmidt. Y va más allá cuando genera productos falsos, como un videojuego, figuras de acción y una serie de animación, que terminan con persecuciones y explosiones.