En el zoológico de Central Park, la cebra Marty celebra su décimo cumpleaños, pero se ha aburrido de su rutina diaria y anhela experimentar la naturaleza. El mejor amigo de Marty es Alex, el león, que disfruta exhibiéndose ante el público y su condición de celebridad como "el rey de Nueva York". Alex intenta animar a Marty, pero éste, aún insatisfecho, se entera de que los pingüinos del zoo -Skipper, Kowalski, Rico y Private- están intentando escapar, y los sigue. Alex, la jirafa Melman y el hipopótamo Gloria persiguen a Marty e intentan convencerle de que vuelva. Los cuatro, junto con los pingüinos y dos chimpancés llamados Mason y Phil, convergen en la Grand Central Station, donde las autoridades los sedan con pistolas tranquilizantes. Bajo la presión de los activistas contra el cautiverio, el zoológico se ve obligado a enviar a los animales fugados por mar a una reserva natural de Kenia. Durante el viaje, los pingüinos se escapan y se apoderan del barco con la intención de llevarlo a la Antártida. Sus travesuras en el puente hacen que las cajas que contienen a Alex, Marty, Melman y Gloria caigan por la borda y lleguen a la costa de Madagascar.

Los animales se encuentran con una manada de lémures liderada por el rey Julien XIII. Los fósiles depredadores atacan a los lémures, pero son ahuyentados por la temible apariencia de Alex. Alex culpa a Marty de la situación del grupo e intenta pedir ayuda para volver a la civilización. Marty descubre que la naturaleza es exactamente lo que buscaba, y Gloria y Melman pronto se unen a él para disfrutar de la isla. Alex acaba por volver en sí, pero sin los filetes crudos que le proporcionaron en el zoo, el hambre se apodera de él y su instinto de presa empieza a manifestarse. El rey Julien hace que los lémures se hagan amigos de los animales del zoo con la esperanza de que la presencia de Alex mantenga a raya a la fosa, a pesar de las advertencias de su consejero Maurice sobre la naturaleza depredadora de Alex. Cuando Alex pierde el control y ataca a Marty, Julien se da cuenta de que es una amenaza y lo destierra al lado de los depredadores de la isla, donde viven los fossa. Al ver lo que le ha ocurrido a Alex y lo peligroso que puede ser la naturaleza, Marty empieza a arrepentirse de su decisión de abandonar el zoo.

Los pingüinos, tras comprobar que la Antártida es inhóspita, desembarcan el barco en Madagascar. Viendo la oportunidad de devolver a Alex a Nueva York, Marty se pasa al lado de los depredadores e intenta convencer al canoso y hambriento Alex de que vuelva, pero éste se niega por miedo a que vuelva a atacar a Marty. La fosa ataca a Marty, y aunque Gloria, Melman y los pingüinos acuden al rescate, les superan en número. Alex supera sus instintos depredadores, rescata a sus amigos y ahuyenta a la fossa del territorio de los lémures para siempre. Los lémures recuperan el respeto por Alex, y los pingüinos satisfacen su hambre alimentándolo con sushi. Mientras los lémures celebran una fiesta de despedida para el cuarteto, los pingüinos deciden no dar la noticia de que el barco se ha quedado sin combustible, dejándolos así varados en la isla.