Le film commence avec un flashback se déroulant lors d'un voyage de Thorïn Ecu-de-Chêne à Bree. Thorïn est abordé par Gandalf à l'auberge du Poney Fringant. Le magicien informe le nain que sa tête a été mise à prix via une dépêche rédigée en Noir Parler et le pousse à récupérer l'Arkenstone, gardée par Smaug à Erebor, pour unifier les Royaumes Nains. Il lui suggère aussi qu'il aurait besoin pour cela d'un cambrioleur.
Douze mois plus tard, la Compagnie de Thorïn est toujours poursuivie par les troupes d'Azog, au-delà des Monts Brumeux. La Compagnie se réfugie dans la demeure de Beorn qui les aide à atteindre la forêt noire. Pendant ce temps, Azog est convoqué à Dol Guldur. Désigné chef de son armée par le Nécromancien, Azog confie à un autre capitaine orque, Bolg, la tâche de traquer Thorïn.
Gandalf abandonne temporairement la compagnie pour enquêter sur les activités du Nécromancien, promettant de rejoindre les nains devant Erebor. Bien vite, les nains s'égarent du sentier à travers les bois et sont capturés par des araignées géantes. Grâce à l'invisibilité que lui procure l'anneau, Bilbon parvient à libérer ses amis de leurs toiles. Alors que le combat s'engage entre les araignées et les nains, Bilbon ressent l'influence corruptrice de l'anneau. Le combat prend fin à l'arrivée des Elfes Sylvestres, dirigés par Legolas et Tauriel, qui tuent les créatures et capturent Thorïn et ses nains. Bilbon, invisible, demeure libre.
Les nains sont emprisonnés dans les geôles des elfes. Thranduil, le roi des elfes, propose un compromis à Thorïn, qui refuse. Un triangle amoureux se met en place entre Legolas, Tauriel et le nain Kili. Grâce à l'anneau, Bilbon parvient à libérer ses amis et les embarque dans des tonneaux jetés dans la rivière. Malmenés par le courant, ils sont attaqués par les orques de Bolg, mais sont sauvés par les elfes. Kili est blessé dans les combats par une flèche empoisonnée et Tauriel décide alors de les suivre, accompagnée de Legolas.
De son côté, Gandalf retrouve Radagast pour inspecter les tombeaux des Nazgûl, qu'ils trouvent vides. Gandalf décide de se rendre à Dol Guldur. Les nains parviennent aux abords d'un grand lac et la compagnie fait connaissance avec Bard, un batelier de Lacville, qui les fait entrer dans la cité. Thorin révèle publiquement son identité, déclarant être prêt à partager le trésor de la montagne avec Lacville dans le désir de rebâtir Esgaroth.
La compagnie se voit prêter un bateau pour traverser le lac et poursuivre sa mission. Oin, Fili et Bofur décident de rester à l'arrière pour soigner Kili. Thorïn atteint enfin les contreforts de la montagne le jour de Durin, et part en quête de la porte secrète indiquée sur sa carte. Les recherches des nains sont vaines et, découragés, ils commencent à repartir lorsque Bilbon comprend que « la dernière lueur du Jour de Durin » n'est pas un rayon de soleil, mais celui d'une lune, et découvre l'entrée secrète. Balin explique alors à Bilbon qu'il doit dérober à Smaug la précieuse Arkenstone. Bilbon pénètre seul dans la montagne.
Bilbon atteint le c?ur de la montagne Solitaire et découvre les immenses richesses des nains. Cependant, sa présence ne reste pas longtemps inaperçue à l'odorat de Smaug qui sort de sa torpeur. Il flatte le dragon, qui est intrigué par le hobbit. Smaug comprend néanmoins très vite que Thorïn est dans les parages pour reprendre son trône, alors que Bilbon repère l'Arkenstone. Smaug poursuit ensuite Bilbon et les nains à travers les galeries.
Bolg et ses orques envahissent la maison de Bard et affrontent les quelques nains présents. Tauriel et Legolas les font fuir, Legolas poursuivant Bolg et Tauriel soignant Kili. De son côté, Gandalf atteint Dol Guldur et envoie Radagast informer Galadriel de ce qu'ils ont découvert. Gandalf trouve les ruines infestées par les orques d'Azog et tente de fuir mais doit faire face au Nécromancien, qui se révèle être Sauron. Gandalf et Sauron s'affrontent et le magicien est vaincu et emprisonné.
À Lacville, Bard comprend que le dragon s'est réveillé et se saisit alors d'une flèche noire cachée chez lui. Thorïn et sa troupe atteignent les anciennes forges de la montagne et parviennent à triompher temporairement du dragon. Néanmoins, Smaug se relève et quitte la montagne Solitaire pour la première fois depuis 60 ans, s'envolant en direction de Lacville pour en châtier les habitants. Bilbon, terrifié, se rend compte de ce que la compagnie vient de déclencher.