影片承接前作，银河护卫队成员们已经在不毛之地上安顿了下来。然而，由于火箭浣熊（布莱德利·库珀BradleyCooper配音）的动荡往事的侵扰，他们的生活很快被打破。“星爵”彼得·奎尔（克里斯·帕拉特ChrisPratt饰）依然迷失在失去卡魔拉（佐伊·索尔达娜ZoeSaldana饰）的痛苦中，但是他必须团结起他的团队，前往执行一项危险的任务，只为营救火箭浣熊。如果这项任务失败，那么为人熟知的银河护卫队有可能就此走向终结。

在他们位于虚无之地的新总部，银河护卫队遭到了亚当的攻击，亚当是他们的高阶女祭司阿伊莎创造的主权战士。[b]亚当重伤火箭后，被星云刺伤并逃跑。守护者队无法用医疗包治愈火箭的伤口，因为Orgocorp公司在火箭体内植入了死亡开关，Orgocorp是一家由疯狂科学家和火箭的创造者高级进化者领导的公司。守护者前往Orgocorp总部寻找开关的超控代码并拯救火箭的生命。

火箭失去知觉后，他回忆起了自己的过去。作为一只小浣熊，他接受了高级进化者的实验，后者试图增强和拟人化动物生命形式，以创建一个名为“反地球”的理想社会。火箭队与他的第89批测试对象同伴：水獭Lylla成为了朋友、海象Teefs和兔子Floor。高级进化者对火箭迅速增长的智力印象深刻，但一旦超过他的智力，他就会变得愤怒。高级进化者利用火箭完善了他的动漫创作，然后计划收获火箭的大脑进行进一步研究并消灭过时的第89批。火箭释放了他的朋友，但高级进化杀死了莱拉。愤怒的火箭人殴打了高级进化者，但他的追随者在与火箭人的交火中杀死了蒂夫斯和弗洛尔，随后后者乘坐宇宙飞船逃离了反地球。

目前，由另一个版本的卡魔拉领导的掠夺者[c]帮助守护者渗透到Orgocorp。他们取回了火箭的文件，但发现代码已被删除，罪魁祸首可能是高级进化者的顾问之一希尔。守护者们与卡魔拉一起出发前往反地球寻找他。他们的种族创造者高级进化者威胁说，如果他们不能取回火箭，就会消灭君主，阿耶莎和亚当紧随其后。守护者到达反地球并被引导至阿雷特实验室综合体。德拉克斯和螳螂留在卡魔拉和火箭队，饰演彼得·奎尔、格鲁特，星云前往阿雷特。当奎尔和格鲁特进入阿雷特时，星云被迫在守卫的外面等待，而德拉克斯则欺骗螳螂去追击奎尔的队伍。卡魔拉从亚当和高级进化者的守卫战猪手中救出了火箭。

在奎尔的询问下，高级进化者承认对阿曼人不完美的社会感到失望。他摧毁了反地球，杀死了阿尼曼和阿耶莎。阿雷特乘坐一艘宇宙飞船出发，星云、德拉克斯和螳螂登上去营救奎尔和格鲁特，后者与希尔一起逃离了阿雷特，从他的尸体上取回了密码，然后被船上的卡魔拉救起。当奎尔的团队使用该代码时，火箭队陷入了停滞，并经历了濒死体验，他与莱拉、蒂夫斯和弗洛尔重聚。莱拉告诉他，他的时间还没有到来，因为奎尔使用代码禁用了终止开关并重新启动了火箭的心脏。

德拉克斯、星云和螳螂在被捕获之前在阿雷特遇到了数百名转基因人形儿童。其他守护者执行救援任务，引发与高级进化者军队的战斗。克拉格林用无知之地向阿雷特开火，毁灭了阿雷特；后来，他从一次袭击中拯救了Knowhere的公民。打算撤退时，高级进化者的船员发生叛变，但他杀死了他们。德拉克斯、星云和螳螂面对并与三只可怕的能力者交朋友，最终逃脱并与奎尔的队伍重聚。守护者们推迟离开阿雷特，选择营救孩子们，孩子们通过科斯莫的心灵传动逃到了无知之地连接Knowhere和Arête的隧道。火箭在遭到高级进化者攻击之前发现了船上被囚禁的动物，但其他守护者帮助制服了他，火箭放过了他。[d]守护者将动物们拯救到无知之地。奎尔在试图穿越时差点丧命，但被亚当救了，亚当在被来自阿雷特的格鲁特救后改变了主意。

此后，奎尔决定离开守护者队，任命火箭队为队长；奎尔前往地球与他的祖父杰森团聚。螳螂与异能力者一起踏上了自我发现之旅，卡魔拉与掠夺者重聚，星云和德拉克斯留在未知之地抚养被救的孩子。

在片尾彩蛋场景中，由火箭、格鲁特、克拉格林、科斯莫、亚当、菲拉（获救的孩子之一）和亚当的宠物布卢普组成的新守护者承担了新的任务。