En 2012, le duo d'agents « Men in Black » J et K fonctionne toujours après 15 ans d'association, mais J s'interroge de plus en plus sur les causes du caractère renfermé de son partenaire. L'agent O, qui a pris la succession de Z à la tête de l'agence, connait les raisons mais les garde pour elle. Sur la Lune, un extraterrestre boglodite très dangereux, Boris l'Animal, s'évade et retourne sur Terre avec un objectif : tuer K, l'agent qui l'a capturé en 1969 et lui a détruit le bras gauche. L'agent K assiste au retour de son vieil ennemi sur Terre, qui le défie et part en lui disant : « Tu es déjà mort, mais tu ne le sais pas encore ». L'agent K avoue plus tard à J que ne pas avoir tué Boris fut sa plus grande erreur, sans donner plus d'explications. J cherche donc de son côté des informations dans les archives de l'agence « Men in Black » mais certaines lui sont interdites d'accès. Dans la nuit qui suit, K disparait et seul J semble se souvenir de lui : pour le reste de l'agence, K est mort sur le terrain à Cap Canaveral le 16 juillet 1969. Mais O comprend par le comportement de J que Boris a remonté le temps et tué K dans le passé, changeant le continuum espace-temps. La mort de K en 1969 a permis une brèche dans le système de sécurité de la Terre et les boglodites se préparent à une invasion. J décide donc de remonter le temps à son tour, partant pour le 15 juillet 1969 afin de retrouver K avant le Boris du présent. Il utilise pour cela un dispositif créé par un compagnon de cellule de Boris, fonctionnant sur la vitesse accumulée, et doit donc sauter du sommet du Chrysler Building ; le fils du compagnon lui explique avant de partir que si J est le seul à se souvenir de K, c'est parce qu'il a vécu les événements qui ont changé l'histoire.
Arrivé en 1969, J part pour Coney Island, où Boris est censé avoir commis son premier meurtre. Là, Boris lui échappe et J est arrêté par K, alors âgé de 29 ans, qui l'emmène aux quartiers du MiB. J y rencontre une version plus jeune de l'agent O, le chef X, mais refuse de donner des informations jusqu'à ce que K le menace par un neuralyseur géant. J admet donc venir du futur pour empêcher une invasion extraterrestre et arrêter Boris ; K décide de le croire et suit les maigres indices dont J se souvient pour suivre Boris, ce qui les mènent dans un bowling puis dans la Fabrique, le repaire d'Andy Warhol, en réalité un repaire extraterrestre surveillé par l'agent W (Warhol lui-même). Ils y rencontrent aussi Griffin, un extraterrestre Arcadien capable de voir l'ensemble des futurs alternatifs. Celui-ci parvient ainsi à fuir avant que Boris ne vienne pour le tuer. J et K le retrouvent au Shea Stadium, où Griffin leur montre grâce à ses capacités la victoire du championnat de ligue nationale de baseball des Mets de New York avant de confier à K le bouclier Arcnet, un système de défense pour la Terre que K doit placer au sommet de la fusée Apollo 11 afin de le déployer. Peu après, Boris réapparait et tente d'enlever Griffin, mais les deux agents le sauvent.
Arrivés à Cap Canaveral, les deux agents et Griffin sont arrêtés avant d'approcher le site de la fusée par la police militaire. Le Colonel est sur le point de les mettre en détention quand Griffin lui montre le futur et ce que J et K vont accomplir ; le Colonel les accompagne alors vers la fusée. Dans la colonne de lancement, J et K font face aux deux versions de Boris (celle de 1969 et celle de 2012). J utilise le voyage temporel pour prendre l'avantage sur son adversaire, le Boris du futur, et le pousser du sommet de la rampe. K parvient de son côté à détruire le bras gauche du Boris de son époque avant de déposer l'Arcnet sur la fusée, permettant son déploiement. Le décollage de la fusée entraine la mort du Boris de 2012, brûlé par le feu des réacteurs.
Peu après, J part rejoindre K et le Colonel. Il voit K proposer au militaire de rejoindre le MiB, mais le Colonel est tué par le Boris de 1969, juste avant que K ne tue Boris sans hésitation. Derrière, J voit un garçon sortir d'un véhicule et demander à voir son père ; J se reconnait dans l'enfant et comprend que le Colonel était son père. J voit ensuite K parler à l'enfant avant de le neuralyser et lui dire que son père est parti mais qu'il doit se souvenir de lui comme d'un héros.
J retourne ensuite dans le présent et rejoint son partenaire âgé. Il lui fait comprendre qu'il connait maintenant l'histoire, et en échange, K lui avoue que ce fut un honneur de l'avoir rencontré ce jour-là, et partent. Griffin, assis quelques sièges plus loin, apprécie d'avoir assisté à cette scène avant de voir que K n'a pas laissé de pourboire ; dans cette version, un astéroïde doit s'abattre sur Terre dans les minutes qui suivent. Cependant, K revient laisser un billet, et l'astéroïde est finalement détruit par une collision avec satellite artificiel. Griffin avoue son soulagement aux spectateurs, brisant le quatrième mur.
Super héros alcoolique, John Hancock est rejeté par les habitants de sa ville, Los Angeles. Doté d'une force et d'une résistance surhumaine et de la faculté de voler, il est le seul de son genre et vit dans la solitude. Bien qu'il agisse pour la bonne cause, les dégâts considérables qu'il cause à chaque fois le rendent incroyablement impopulaire.
Un jour, cependant, il sauve la vie de Ray Embrey, un homme idéaliste qui rêve de rendre le monde meilleur. Persuadé qu'Hancock n'est pas aussi irrécupérable qu'il le semble, il décide d'aider le héros à avoir une meilleure image auprès des gens et des médias. D'abord sceptique, Hancock se laisse convaincre. Au cours du film, alors qu'il évolue, Hancock découvrira aussi le secret de ses origines...
En 2009, une scientifique trouve ce qui semblerait être le vaccin contre le cancer. Cependant, la joie est de courte durée, car ce vaccin tue les humains les moins résistants et fait muter les autres. L'évacuation des survivants sur des bateaux est un échec, personne ne trouvant de remède au nouveau virus qui décime l'humanité.
Cependant, un dernier espoir subsiste, le docteur Robert Neville (Will Smith), officier de l'armée des États-Unis et médecin. Il deviendra la légende. En plus de ses grandes connaissances en médecine, il est immunisé contre le virus et possède un laboratoire très équipé dans sa maison et est chargé d'enrayer le virus en trouvant un vaccin. Dernier New-Yorkais, il occupe ses journées, entre ses différentes expérimentations, à chasser les animaux s'étant installés dans la ville, à jouer au golf depuis un porte-avion ou encore à écumer les appartements vides à la recherche de nourriture. Il diffuse de plus, tous les jours, un message exhortant les derniers rescapés à venir le rejoindre.
Un jour, il tombe dans un piège tendu par un des humains mutés. Sa chienne se fait contaminer et il est obligé de la tuer de ses mains.
Dès lors, frustré de ne connaître aucun succès et pensant être le dernier survivant (d'après lui, 90 % des humains ont disparu, 9 % ont été contaminés à vie, et seulement moins de 1 % sont immunisés, exposés à la violence des contaminés), il viole les règles de sécurité auxquelles il s'était astreint et manque de se faire tuer par les humains mutés.
Il est heureusement sauvé par une autre survivante, qui ignorant le métabolisme des contaminés (brûlés par le soleil et ne pouvant sortir que la nuit), leur fait découvrir le repaire de Neville. Alors qu'il voit ses expériences connaître leurs premiers succès, il se prépare à livrer un combat à mort avec tous les zombies-vampires (et non des vampires tout court) qui ont découvert sa cachette. Par un ultime sacrifice, il permet à sa co-rescapée de survivre et de gagner le Vermont, où se trouve une colonie de survivants, avec l'antidote.
L'agent J, autrefois formé par son mentor l'ex-agent K, continue de réglementer l'activité extraterrestre dans les rues de New York pour la secrète agence MIB, depuis 5 ans. Changeant en permanence de partenaires pour diverses raisons, il se voit confier par Z une nouvelle affaire de meurtre impliquant 2 aliens, pendant laquelle J décide de ne pas respecter le règlement, qui oblige à effacer la mémoire des témoins. Il s'apercevra vite que la Terre est (à nouveau) en danger de mort si la lumière de Zartha n'est pas très vite retrouvée. Malheureusement pour J, la seule personne sachant où se trouve cette lumière n'est autre que K, actuellement en retraite. La mission se révèle d'autant plus difficile car il faut que K retrouve la mémoire avant que la puissante Serleena ne trouve elle aussi l'objet de toutes les convoitises, et ce avant minuit.
Les Men in Black, ou MIB, font partie d'une organisation ultra-secrète créée afin de réguler la présence sur Terre des extraterrestres. Grâce à leur technologie avancée, ils sont virtuellement inexistants, effaçant la mémoire des témoins gênants. L'agent K, après que son partenaire ait décidé de mettre un terme à son activité car il se trouve trop vieux, se cherche un nouveau partenaire, qu'il trouve au sein de la police de New York. Pendant ce temps, une « bestiole » (bug dans la version américaine), sorte de cafard géant, cherche à s'emparer d'une galaxie gardée par le prince arquilien, résidant sur Terre.
Les Men in Black (MIB) font partie d'une organisation ultra-secrète créée afin de réguler la présence sur Terre des extraterrestres. Grâce à leurs technologies avancées, ils sont virtuellement inexistants, effaçant la mémoire des témoins gênants. Ainsi, la population ignore la présence de vie extraterrestre au sein de notre planète. Le qualificatif d'hommes en noir vient des complets noirs et des lunettes sombres que les membres de l'organisation doivent porter en tout temps.
K (Tommy Lee Jones), agent de longue date du MIB, vient de perdre son mentor, qui a pris la décision de se retirer en raison de son âge avancé. Il tente donc de se dénicher une nouvelle recrue. Il finit par la trouver en l'officier du NYPD James Darrell Edwards III (Will Smith), jeune homme extraverti qui est capable de pourchasser un alien à pied, et qui possède par ailleurs une bonne intuition.
C'est ainsi que le jeune James devient l'agent J. Cependant, il est encore loin de se douter des épreuves qui l'attendent : une « bestiole » (bug, dans la version américaine), un extraterrestre très peu pacifique semblable à un cafard géant, cherche à s'emparer d'une galaxie gardée par un prince arquilien... L'agent J apprendra rapidement à quel point il est difficile d'assurer l'avenir de la planète alors que les aliens qu'il recherche prennent les corps humains comme déguisements, et que la population doit demeurer dans l'ignorance totale.
Un radiotélescope du programme SETI capte des ondes émises par un vaisseau extraterrestre démesuré qui s'est immobilisé en orbite géostationnaire lointaine. Le Pentagone, averti de cette présence, décide de garder le secret sur cette découverte. Peu de temps après, de gigantesques vaisseaux entrent dans l'atmosphère puis prennent lentement position au-dessus de diverses mégapoles mondiales. À Washington, le président des États-Unis Thomas J. Whitmore (Bill Pullman) s'interroge sur la conduite à tenir.
David Levinson (Jeff Goldblum) est analyste informaticien. Il découvre qu'un signal provenant du vaisseau extraterrestre et capté par un radiotélescope joue le rôle d'un compte à rebours. Il décide d'en informer en haut lieu en prenant contact avec son ex-femme Constance Spano (Margaret Colin) qui est conseillère à la Maison-Blanche. Le président décide alors l'évacuation générale, mais il est trop tard : de chacun des vaisseaux surgit un rayon surpuissant qui détruit instantanément les buildings et tous leurs environs. Le lendemain, les lieux visés ne sont plus que ruines et désolation. Le nombre de victimes est très lourd.
Steven Hiller (Will Smith) est capitaine de l'US Marine Corps (USMC). Avec les quelques survivants, le président Whitmore, qui a échappé de justesse à la destruction de la capitale, décide d'organiser la riposte.
L'Air Force One étant en sécurité dans la base militaire de la Zone 51, une première attaque aérienne massive est lancée sur les vaisseaux, mais aussitôt le combat engagé, les pilotes humains constatent que leur armement ne peut percer le bouclier énergétique qui entoure ceux-ci. Écrasés sous le nombre des chasseurs sortis par les vaisseaux envahisseurs, les avions sont abattus les uns après les autres, à l'exception de celui du capitaine Steven Hiller, qui parvient à mener son adversaire dans un dédale rocheux avant de l'aveugler avec sa toîle de parachute et de le faire s'écraser.
Hiller se retrouve dans le désert du comté de Lincoln, au sud-est du Nevada, en compagnie de l'extraterrestre qu'il a assommé et qu'il traîne derrière lui. Il est rejoint un peu plus tard par un convoi de caravanes tractées par des personnes ayant échappé à l'anéantissement, et qu'il va guider vers la Zone 51.
Dans les ruines de Los Angeles, Jasmine Dubrow, compagne de Steven Hiller ayant survécu à l'anéantissement avec son fils Dylan, parvient à dégager plusieurs survivants des décombres, parmi lesquels la Première dame des États-Unis, Marilyn Whitmore, dont l'hélicoptère s'est écrasé peu de temps après le début de la destruction de la ville.
Thomas Whitmore se rend dans la Zone 51. Il y apprend alors que ce n'est pas la première fois que les Humains se trouvent confrontés à ces extraterrestres : un chasseur extraterrestre s'est en effet écrasé en 1947 aux alentours de Roswell et a été récupéré dans la plus grande discrétion par l'US Air Force.
Dans le laboratoire médical de la Zone 51, des scientifiques entament l'ouverture de la combinaison biomécanique de l'extraterrestre capturé par Steven Hiller, toujours inconscient et tenu pour mort, mais l'opération se transforme en désastre, car l'extraterrestre se réveille soudain et tue les scientifiques présents par télépathie. Après une tentative de négociation infructueuse, l'extraterrestre est abattu alors qu'il tente de tuer le président américain.
Ce dernier ayant perçu quelques bribes du passé et des intentions belliqueuses de l'espèce extraterrestre, il décide d'utiliser l'arme nucléaire pour détruire le vaisseau au-dessus de Houston, mais une fois l'explosion dissipée, l'euphorie s'évanouit aussi vite qu'elle est apparue : le vaisseau protégé par son bouclier est toujours intact.
Désemparés, les rescapés ne savent plus quelle piste explorer jusqu'à ce que David Levinson, sous le coup d'une rude gueule de bois et avec l'aide de son père Julius Levinson, ait une soudaine inspiration. L'idée, à la fois d'une simplicité folle et d'une audace sans précédent, consiste à implanter dans le système informatique du vaisseau mère en orbite terrestre un virus informatique qui désactivera par signal satellite les boucliers de tous les vaisseaux extraterrestres.
Steven Hiller et David Levinson se portent volontaires pour piloter le chasseur extraterrestre détenu dans la Zone 51 et réparé par les scientifiques afin d'accéder au vaisseau mère pour y implanter le virus. Sur Terre, la contre-offensive planétaire est lancée, et Thomas Whitmore la mène personnellement à bord de son F-18, tandis que le virus de David Levinson désactive les boucliers de tous les vaisseaux. Cependant, la trop faible puissance des missiles air-air ne permet pas de détruire ceux-ci, d'autant plus que les chasseurs extraterrestres se lancent dans la bataille pour protéger les vaisseaux-mère.
Un vaisseau est sur le point de d'émettre son rayon destructeur sur la Zone 51, le pilote Russell Casse, qui ne peut tirer son dernier missile, bloqué, se sacrifie en lançant son F-18 dans l'émetteur du rayon. Une explosion fulgurante déchire alors le vaisseau, touché en plein cœur, qui s'écrase.
Pendant ce temps, leur chasseur extraterrestre bloqué dans le vaisseau-mère, Steven Hiller et David Levinson tentent le tout pour le tout. Après avoir tiré un missile pourvu d'une ogive nucléaire de très forte puissance qui s'est fiché dans la structure du vaisseau, ils parviennent à se délivrer du dispositif qui retenait leur chasseur et à quitter in extremis le vaisseau mère avant que l'explosion nucléaire le désintègre.
Steven Hiller et David Levinson, qui se sont écrasés dans le désert à leur retour, sont rejoints par Thomas Whitmore et leurs épouses respectives.