En quinze ans de carrière chez les Men in Black, l’agent J (Will Smith) a vu beaucoup de phénomènes inexplicables… Mais rien, pas même le plus étrange des aliens, ne le laisse aussi perplexe que son partenaire, le sarcastique K (Tommy Lee Jones). Lorsque la vie de K et le destin de la Terre sont menacés, l’agent J décide de remonter dans le temps pour remettre les choses en ordre. Il va alors découvrir qu’il existe certains secrets de l’univers que K ne lui a jamais révélés. Il est cette fois obligé de faire équipe avec l’agent K (Josh Brolin), plus jeune, pour sauver la vie de son partenaire, l’agence, et l’avenir même de l’humanité…