La película comienza con una enorme celebración en Río de Janeiro. En la comunidad de aves de la ciudad, nos encontramos con los guacamayos azules Blu (Jesse Eisenberg) y Jewel (Anne Hathaway), ahora casados y con tres hijos. Bailan y cantan junto a sus amigos Raphael (George Lopez), Pedro (will.i.am) y Nico (Jamie Foxx). Blu le pregunta a Raphael dónde están los niños. Raphael dice que los dejó con el bulldog Luiz (Tracy Morgan). Luiz dice que los dejó con el pajarito Tiny (Kate Micucci). Los niños -Carla (Rachel Crow), Bia (Amandla Stenberg) y Tiago (Pierce Gagnon)- atan a Tiny a un montón de fuegos artificiales. Sus padres llegan volando para evitar que los enciendan cuando Blu coge la cerilla. Sin embargo, se quema y hace que los fuegos artificiales se enciendan. Saca a Tiny pero se queda atrapado, y es lanzado al cielo mientras los fuegos artificiales estallan en un espectáculo épico, para que todo Río y los pájaros lo vean.

La dueña de Blu, Linda (Leslie Mann), y su marido/compañero amante de los pájaros, Tulio (Rodrigo Santoro), navegan en un barco por la selva para llevar a un rollizo pájaro rojo de vuelta a su hábitat con su familia. No se dan cuenta de las cascadas que hay más adelante y se caen por el borde, pero ambos están bien. Un pájaro vuela por encima y deja caer su pluma. Tulio la coge y la inspecciona. Es una pluma de guacamayo azul.

Se sabe que Linda y Tulio han descubierto más guacamayos azules por ahí. Deciden viajar a la selva amazónica para encontrar esta bandada. Jewel también quiere viajar allí ya que cree que Blu ha domesticado demasiado a sus hijos y que deben seguir en contacto con su naturaleza de pájaros. Nico y Pedro quieren unirse para poder buscar talentos exóticos para su pequeño espectáculo de Carnaval. La única persona que tienen hasta ahora es Eva, la mujer de Rafael (Bebel Gilberto), que es una cantante horrible. Mientras tanto, un siniestro magnate maderero conocido sólo como Big Boss (Miguel Ferrer) se entera de la misión de Linda y Tulio, temiendo que interfieran en sus planes.

Blu se guía, junto con su familia y amigos, hasta el Amazonas con un equipo humano, como un GPS. Se pierden una y otra vez hasta que vuelan juntos en grupo. En tierra, la malvada cacatúa Nigel (Jemaine Clement) es ahora un pájaro de espectáculo no volador en un mercado, junto con Gabi la rana arbórea venenosa (Kristin Chenoweth) y Charlie el oso hormiguero. Nigel se ve obligado a ser un pájaro adivino, mientras Gabi se desmaya por él, indefectiblemente enamorada. Nigel ve a Blu y a su familia volando por delante, lo que le lleva a buscar venganza contra el pájaro que le costó el vuelo. Provoca un fiasco en el mercado, liberando a Gabi y a Charlie. Se monta en la espalda de Charlie con Gabi para perseguir a los pájaros.

Nigel, Gabi y Charlie se cuelan en un barco en su viaje para atrapar a Blu. Nigel se queda dormido y Gabi canta la canción "Poisonous Love" para expresar sus sentimientos por Nigel y el hecho de que no puede tocarlo porque es venenoso. Cuando se despierta, ven a Blu y a su familia en el barco. Nigel va a hacer su jugada asesina, cuando Charlie se atasca en una botella mientras intenta comer unas hormigas. Lo saca y hace saltar la alarma, provocando una conmoción en el barco que frustra el plan de Nigel.

Big Boss también llega a la selva amazónica para reunirse con sus socios. Les ordena que se deshagan de Linda y Tulio, pues están buscando guacamayos en una zona que piensa talar.

Al llegar a la selva, Blu es atrapado por otro pájaro, lo que le lleva a él y a su familia y amigos a encontrar toda la bandada de guacamayos azules. Les guía Eduardo (Andy García), el padre de Jewel. Tienen un lacrimógeno reencuentro después de haber sido separados por los leñadores. Esto hace que Eduardo desconfíe de los humanos. Saluda a Blu y a sus nietos. También se une a la fiesta el viejo amigo de la infancia de Jewel, Roberto (Bruno Mars), que canta una suave balada para dar la bienvenida a Jewel a su casa, junto con la tía de Jewel, Mimi (Rita Moreno). Roberto deja que Blu y su familia se alojen en un árbol que él mismo ha remodelado. Aunque Blu no se siente cómodo con este nuevo escenario, puede ver que Jewel es feliz.

Eduardo decide llevar a Blu por la selva en lo que le dice a Jewel que es una visita turística, cuando en realidad es una serie de pruebas para que Blu demuestre su valía en la selva. Sale herido más de una vez, y parece palidecer en comparación con Roberto, que siempre recibe elogios de Eduardo. También se encuentran con la tribu rival de guacamayos rojos, liderada por Felipe (Philip Lawrence). Se burlan y enemistan con Eduardo por intentar ayudar a alguien como Blu. Blu no hace más que erizar las plumas de Eduardo (lo siento) al intentar utilizar el equipo de Linda en la naturaleza. Eduardo ordena a Roberto que vigile a Blu, temiendo que esté aliado con los madereros.

En otro lugar, Nico y Pedro continúan su búsqueda de talentos con Raphael. Carla se une a ellos, ya que tiene facilidad para la interpretación y también interés por la música. La mayoría de las personas que acuden a la audición del programa tienen un talento excepcional, pero siguen comiéndose vivos a los demás... literalmente. Sin embargo, reciben la visita sorpresa de Nigel (disfrazado), que interpreta con Gabi una versión muy divertida de "I Will Survive". Al mismo tiempo, Linda y Tulio son descubiertos por Big Boss y sus hombres después de que los monos del maderero los buscaran. Los villanos atan a Linda y a Tulio a un árbol y se van a talar más.

Blu va a buscar una nuez brasileña para Jewel, ya que son sus favoritas. Los monos de los leñadores engañan a Blu para que vuele al territorio de los guacamayos rojos. Intenta coger la nuez brasileña, sin saber que les pertenece. Hace que los guacamayos escarlatas desafíen a los guacamayos azules a un juego que es el equivalente de las aves al fútbol. Después de no dejar que Blu se una al juego, Eduardo lo deja entrar a regañadientes cuando ve que la mayoría de sus jugadores están siendo eliminados. Aunque Blu parece ser hábil, acaba marcando el gol de la victoria para el equipo contrario. Eduardo reprende a Blu por su fracaso, lo que hace que se sienta indeseado e innecesario en este lugar. Discute con Jewel, que le dice que elija dónde prefiere quedarse.

Sintiéndose en conflicto, Blu vuela a algún lugar lejos de la tribu, haciendo que Jewel piense que los está abandonando. En lugar de eso, se acerca al campamento de Linda para despedirse, sabiendo que debe estar con Jewel en el lugar donde ella se siente feliz. Blu intuye entonces que algo no va bien. Encuentra a Linda y a Tulio atados. Los libera y descubre a los madereros haciendo estragos en la selva. Muchos árboles son cortados y arrastrados. Roberto encuentra a Blu en este lugar, lo que hace que el pájaro cuente un encuentro traumático con los humanos. Blu le hace volar de vuelta a la tribu para que puedan advertir a todos juntos sobre los madereros. Blu convence a Eduardo de unir fuerzas para poder salvar su hogar.

Los madereros comienzan a adentrarse en la parte más profunda de la selva. Linda y Tulio se colocan delante de las excavadoras para detenerlas, pero lo que hace que los villanos se detengan es ver a toda la bandada de guacamayos azules sentados en los árboles, con cara de pocos amigos. Los guacamayos rojos hacen una tregua para ayudar a salvar el bosque, junto con los demás animales. Todos se abalanzan para atacar a los leñadores y ahuyentarlos, pero Big Boss no muestra ningún temor a los animales. Se adentra en el bosque con un vehículo, pero Linda lo detiene con una excavadora que ha requisado. Eduardo queda atrapado en medio de ellos, pero es rescatado por Tulio. Big Boss comienza a activar unas dinamitas atadas a los árboles. Blu las descubre y las arranca, y Nigel las sigue. Blu agarra la dinamita y vuela alto con ellos, y Nigel se agarra. La dinamita es lanzada al aire, y Nigel salta entonces sobre Blu, revelándose ante su némesis. La dinamita explota y lanza a los pájaros hacia los árboles. Pelean mientras están atados, lo que le da a Gabi la oportunidad de tomar un palillo de dientes untado con su veneno para dispararle a Blu. Accidentalmente le da a Nigel, que cree que va a morir. Hace una muerte increíblemente teatral, con Gabi tragando una gota de su veneno para estar con Nigel. Bia señala que Gabi no es venenosa, y que es un error común. Alborozada por esta revelación, Gabi agarra a Nigel para que puedan estar juntos, para su consternación. Mientras tanto, Big Boss es engullido por una serpiente.

La selva se salva y Eduardo acepta a Blu como parte de la tribu. Nigel y Gabi son enviados a Río para ser estudiados. Charlie los abandona. Blu decide quedarse en el Amazonas con Jewel y su familia, pero aceptan visitar Río durante el verano.

La película termina con los animales montando el espectáculo de Carnaval de Nico y Pedro, con Carla uniéndose a la celebración.