En 2012, un criminal alienígena llamado Boris el Animal, el último boglodita, escapa de una prisión de máxima seguridad en la Luna para vengarse del agente K, que le disparó en el brazo izquierdo y lo capturó en 1969. Se enfrenta a K y a su compañero, el agente J, y le dice que "ya está muerto". De vuelta al cuartel general de MiB, J descubre que K fue el responsable no sólo de capturar a Boris, sino de desplegar la "ArcNet", un escudo que impidió a los bogloditas conquistar la Tierra, lo que llevó a su extinción.

Boris viaja al pasado, al 16 de julio de 1969, para matar al joven agente K, alterando la historia. Sólo la memoria de J no se ve afectada, y nadie más en la Agencia comprende sus investigaciones y conocimientos sobre K hasta que el agente O, nuevo jefe de la MIB tras la muerte de Zed, acaba relacionando las acciones erráticas de J con señales de que se ha producido una fractura en el continuo espacio-tiempo. Sin K, la ArcNet nunca se desplegó, y la Tierra actual está indefensa ante una invasión boglodita.

Sabiendo por los registros de la Agencia que Boris cometerá un asesinato en Coney Island el 15 de julio de 1969, J viaja en el tiempo a dicha fecha para matar al joven Boris. Sin embargo, es detenido por el joven K, que lo lleva a la sede de MiB y se prepara para neuralizarlo, pero decide en el último momento investigar sus afirmaciones de que viajó desde el futuro para detener a Boris. K y J siguen las pistas, que les llevan a una bolera y luego a La Fábrica, donde el agente encubierto de MiB, Andy Warhol, les dirige hacia Griffin, el último arcano. Griffin, que puede ver todas las posibles líneas temporales y resultados futuros, intuye que Boris se acerca y huye, pero les dice a J y K dónde encontrarse con él para que les entregue la ArcNet. Se encuentran con Griffin en el estadio Shea, tras lo cual es capturado por Boris. J y K persiguen y rescatan a Grifo, adquiriendo la ArcNet. El joven Boris escapa y el viejo Boris llega en la madrugada del 16 de julio y se unen.

Después de que K se tome mal la noticia de lo que le hará el Viejo Boris, él, J y Griffin utilizan mochilas propulsoras para volar a Cabo Cañaveral y acoplar el ArcNet al cohete Apolo 11 para desplegarlo en el espacio, pero acaban siendo detenidos por los militares. Griffin muestra a un escéptico coronel el futuro, revelándole la importancia de su misión, y les ayuda a llegar al lugar de lanzamiento. Mientras los agentes suben a la torre de lanzamiento del cohete, son atacados por los dos Boris. J utiliza su dispositivo de viaje en el tiempo para evadir los ataques del Viejo Boris y lo derriba de la torre de lanzamiento. K dispara al brazo izquierdo del joven Boris, derribándolo de la torre y restaurando la línea temporal. K conecta el ArcNet al cohete y se despliega con éxito cuando el cohete se lanza, con el Viejo Boris incinerado por el escape del cohete.

El joven Boris ataca a K en una playa, pero el coronel salva a K sacrificándose. Boris intenta incitar a K a que lo arreste para que la historia se repita, pero K lo mata en su lugar, rompiendo el ciclo. Llega el joven hijo del coronel, James, y cuando pregunta por su padre, K lo neuraliza y le dice sólo que su padre es un héroe. Observando desde lejos, J se da cuenta de que él es James y de que K lo ha estado vigilando toda su vida, y que su presencia fue la razón por la que la fractura espacio-temporal no alteró su memoria.

Con su misión completada, J regresa a 2012, donde se reconcilia con K, quien le dice que los bogloditas se han extinguido hace cuarenta años mientras J da a entender su nuevo conocimiento del secreto que K ha estado ocultando para protegerlo y le da las gracias. El Grifo sin edad observa esto, y rompiendo la cuarta pared, dice que es su nuevo momento favorito en la historia de la humanidad.