郊外の閑静な住宅街、一見なんてことのない家に住むのは、人類史上最大級の泥棒を企てる意地悪(?)で嫌味(?)な怪盗グルーとバナナでできた仲間のミニオンたち。彼らの地下室は、なんと最先端技術を駆使した秘密基地となっていたのだ。彼らの計画は、なんとも奇想天外な“月泥棒”。実現のために、“なんでも小さくできる銃”という秘密兵器を手に入れ、秘密基地でロケットを作ることになる。が、作戦実行しようとした矢先にとんでもない大問題が発生!
“月泥棒”計画を聞きつけたずる賢いライバル怪盗・ベクターに銃を盗まれてしまう。取り返す唯一の方法は、ベクターの家に出入りする孤児院の幼い3姉妹を利用すること。でも、身寄りのない3姉妹に「未来のパパ」と懐かれてしまったことから、さあ大変!
実は心優しい怪盗グルーとミニオンたちは、銃を無事に取り返せたものの、新たな人生最大のチャレンジ――可愛い3姉妹との共同生活――に直面することに。果たして、怪盗グルー団の月泥棒大作戦は、無事に成功するのだろうか!?