הסוכן ג'יי (ויל סמית) והסוכן קיי (טומי לי ג'ונס) חוזרים. בזמן בסרטגברים בשחור 3. ג'יי כבר הספיק לראות כמה דברים לא שגרתיים ב-15 שנותיו בארגון, אבל שום דבר, אפילו חוצנים, לא מביך אותו כמו השותף המאופק שלו. אבל כשחייו של קיי וגורל כדור הארץ מונחים על כף המאזניים, הסוכן ג'יי חייב לחזור אחורה בזמן כדי לסדר את העניינים, לפני שיהיה מאוחר מדי. ג'יי מגלה שיש סודות ביקום שקיי מעולם לא גילה לו, סודות שנחשפים כאשר הוא פוגש את הסוכן קיי בצעירותו (ג'וש ברולין), ונאלץ להציל אותו, את הסוכנות ואת עתיד האנושות.הסרט מוצג בתלת מימד.