El supervillano Megamind y su archienemigo, el superhéroe Metro Man, son extraterrestres que fueron enviados a la Tierra cuando eran niños antes de que sus planetas fueran absorbidos por un agujero negro. Aunque ambos llegan a Metro City al mismo tiempo, Metro Man se cría en una mansión, mientras que Megamind es criado por prisioneros. Acaba yendo al mismo colegio que Metro Man, que le acosa mientras recibe los elogios de sus compañeros. Megamind tiene una epifanía y reclama su propósito como villano, y consigue que le expulsen utilizando una bomba de pintura azul, lo que desencadena una rivalidad entre él y Metro Man. En el presente, Megamind, con la ayuda de su compañero, el pez Minion, lucha con frecuencia y sin éxito contra Metro Man por el control de la ciudad.

En la gran inauguración del nuevo Museo de Metro Man, Megamind escapa de su prisión, secuestra a la reportera Roxanne Ritchi y atrae a Metro Man a un observatorio abandonado para rescatarla. Una vez allí, Metro Man se derrumba, diciendo que el techo del observatorio revestido de cobre debilita sus poderes; Megamind entonces hace estallar a Metro Man con un arma que funciona con el sol, encontrando después sólo un esqueleto con su capa. Sin nadie que le detenga, Megamind se lanza a una ola de crímenes y se apodera de la ciudad. Sin embargo, al final se deprime y se queda sin propósito al no tener un héroe con el que luchar.

Megamind decide volar el museo de Metro Man para olvidar al héroe, pero ve a Roxanne allí y en su lugar deshidrata al conservador del museo, Bernard, en un pequeño cubo. Disfrazado de Bernard utilizando la tecnología de hologramas, Megamind habla con Roxanne, cuyos comentarios le inspiran a utilizar el ADN de Metro Man para crear un nuevo superhéroe con el que luchar. Megamind perfecciona la fórmula, pero accidentalmente se la inyecta a Hal Stewart, el tonto camarógrafo de Roxanne que está encaprichado con ella.

Disfrazándose a través de un holograma como el "padre espacial" de Hal, Megamind se ofrece a entrenar a Hal para que se convierta en un superhéroe. Hal, viendo esto como una oportunidad para estar con Roxanne, acepta y adopta el nombre de "Titán", confundido con "Tighten" por Hal. Megamind también comienza a salir con Roxanne bajo la apariencia de Bernard, y él y Minion tienen una discusión por la aparente falta de interés de Megamind en cometer más crímenes. Roxanne rechaza a Tighten cuando éste va a cortejarla, y Tighten es testigo más tarde de una cita con "Bernard". Después de que Tighten se marche, el disfraz de "Bernard" de Megamind falla y Roxanne huye de él.

Megamind acuerda pelear con Tighten al día siguiente, pero éste no se presenta. Megamind no tarda en enterarse de que Tighten está utilizando sus poderes para cometer delitos. Tighten se ofrece a aliarse con Megamind, pero éste revela deliberadamente sus disfraces y engaños, con la esperanza de incitar a Tighten a luchar. Enfadado y provocado, Tighten golpea salvajemente a Megamind en una pelea. Al darse cuenta de que a Tighten no le interesa la justicia y quiere matarlo, Megamind lo atrapa en una bola de cobre. Sin embargo, se sorprende cuando Tighten se escapa fácilmente. Megamind y Roxanne escapan al antiguo escondite de Metro Man, y descubren que éste sigue vivo, habiendo fingido su muerte para perseguir su sueño como músico. Se niega a ayudar, pero afirma que un héroe siempre se levantará para derrotar al mal.

Abatido, Megamind regresa voluntariamente a la prisión mientras Tighten se lanza a la aventura, exigiendo luchar contra Megamind y amenazando con matar a Roxanne. Con la ayuda de Minion, Megamind escapa de la prisión y utiliza disfraces holográficos para hacerse pasar por Metro Man, y Minion por Megamind, para ahuyentar a Tighten y rescatar a Roxanne. Sin embargo, los patrones de habla de Megamind lo delatan, y Tighten ataca a Megamind y lo lanza a la estratosfera. Al deshidratarse en un cubo y aterrizar a salvo en una fuente, Megamind se rehidrata junto a Tighten y consigue extraer el ADN, revirtiendo a Tighten a su forma humana. Tras el arresto de Hal, Megamind y Roxanne reavivan su relación, y la ciudad celebra a Megamind como un héroe. El museo se convierte en uno que celebra a Megamind, y un Metro Man disfrazado le aclama en la gran ceremonia de inauguración.

En la escena de los créditos intermedios se ve a Minion caminando hacia una lavadora mientras canta para sí mismo. El verdadero Bernard sale de la lavadora, revelando dónde fue a parar después de estar deshidratado durante toda la película. Después de que Bernard aparezca, Minion le exige que vacíe sus bolsillos más a menudo. Bernard responde diciendo que ese día fue considerado el peor de toda su vida. Minion responde diciendo "Oh, él, él, no se preocupe", y luego noquea a Bernard con el mismo palo utilizado para noquear a Hal anteriormente en la película.