Cerita ini diawali dengan masa kecil Skipper, Kowalski, dan Rico di Antartica. Mereka menemukan sebuah telur yang akan menuju ke jurang dan mereka menyelamatkannya. Setelah itu, Skipper yang tidak sengaja memukul telur tersebut akhirnya keluarlah bayi penguin yaitu Private.
The Glorius Future (Masa Depan yang Mengagumkan)
Mereka berempat mencuri suatu makanan ringan untuk merayakan ulang tahunnya Private. Tiba-tiba mereka disedot oleh kotak pengambil makanan ringan dan dibawa ke Venesia. Mereka bertemu dengan kawan lama mereka Dr. Octavius Brane atau Dave yang menyamar menjadi professor walaupun sebenarnya ia adalah gurita. Dave menceritakan bahwa karena penguin ia menjadi hewan yang terbuang. Dave ingin membalas dendam pada seluruh penguin. Tak lama, si penguin berhasil kabur dan dikejar-kejar oleh anak buah Dave. Mereka pada akhirnya ditolong oleh agen rahasia "North Pole" yang diketuai oleh Classifed.
Classified memperkenalkan anggotanya. Mereka adalah Short Fuse si anjing laut namun tak bisa berjalan, Corporal si beruang kutub yang menyayangi penguin, dan Eva si burung hantu yang ahli di bidang intelijen. Mereka membawa keempat penguin ke markas rahasia North Pole.
Skipper memberi informasi tentang Dave. Dave tiba-tiba muncul demikian di layar komputer. Tiba-tiba 15 penguin yang ada di London hilang. Tim Classified dan Tim Skipper beraksi dengan rencananya masing-masing. Karena Classified menganggap si penguin tak mampu dalam menjalani misi ini, mereka diasingkan ke Madagaskar.
Mereka berada di dalam pesawat kargo. Dan Skipper memencet tombol merah dan akhirnya mereka terjun ke bawah. Seketika itu, di Rio de Janeiro, Dr. Octavius menangkap seluruh penguin namun agen North Pole baru mengetahui kejadian ini setelahnya. Pesawat mengatakan kalau keempat penguin hilang rute.
Keempat penguin tadi tak menduga ada di Shanghai walaupun Kowalski bilang di Irlandia. Dikejutkan dengan Breaking News yang ada tempat lokasi penguin hilang. Rico mengeluarkan seluruh mainan bola salju dan menjadi petunjuk bagi tempat Dave untuk menangkap Penguin. Ada satu tempat yang masih belum dilakukan yaitu di Shanghai dengan acara pementasan Penguin duyung.
Mereka merencanakan untuk menangkap Dave. Mereka juga tidak sengaja bertemu agen North Pole. Karena Private mejadi tugas penyamaran, Private ikut tertangkap oleh Dr. Octavius bersama penguin lainnya. Keempat penguin tadi mencuri pesawat milik North Pole sebagai kejaran terhadap kapal selam Dave dan diikuti oleh Tim Classified. Skipper tak sengaja memencet tombol peledakan, akhirnya pesawat tersebut hancur dan mereka gagal dalam pengejaran.
Mereka terdampar, dan tak lama menemukan suatu pulau kecil yang dianggap sebagai tempat persembunyian Dave. Tim North Pole berencana untuk membebaskan Private dan seluruh penguin. Awal mula berjalan lancar, tetapi tim North Pole tertangkap dan Tim Skipper juga ikut ditangkap. Ketiga penguin bertemu dengan Private dengan posisi yang diikat dan akan ditembak dengan Serum Medusa. Private berupaya mengeluarkan penjepit klip, ketika itu Private hilang dan mengira ia meledak. Ternyata Private masih hidup. Private menyelamatkan Tim North Pole.
Breaking News menyatakan bahwa Dr. Octavius telah meyelamatkan semua penguin setelah keluar, mereka menjadi penguin yang berwujud seperti zombie dan menyerang warga sekitar. Private mencuri mesin penembak serum untuk keluar dan menuju ke Skipper. Skipper akhirnya sadar bahwa Private masih hidup dan menuju ke teman lainnya untuk menyadarkan mereka. Mereka juga ditolong oleh Agen North Pole. Private mencoba untuk mengorbankan dirinya menjadi senjata rahasia untuk mengembalikan seluruh penguin. Di saat itu pula anak buah Dave menyerang Skipper dan Kowalski dan Riko dibagi tugas untuk membeli baterai untuk mengaktifkan tombol launch. Seketika itu pula seluruh penguin menjadi normal semula. Namun Private berkondisi aneh dan bertanduk. Seluruh penguin berterima kasih kepada Private.
The Epilogue
Saat adegan akhir kredit, Private ingin membentuk menjadi penguin semula, dengan bantuan Morph dan Raja Julien. Akhirnya Private menjadi normal lagi dan Morph berubah menjadi tubuh yang panjang dan menelan Raja Julien
