Synopsis:

En 2012, le duo d'agents des « Men in Black » J et K fonctionne toujours après 15 ans d'association. Cependant, J s'interroge de plus en plus sur les causes du caractère renfermé de son partenaire. L'agent O, qui a pris la succession de Z à la tête de l'agence, connait les raisons mais les garde pour elle. Sur la Lune, un extraterrestre boglodite très dangereux, Boris l'Animal, s'évade et retourne sur Terre avec un objectif : tuer K, l'agent qui l'a capturé en 1969 et lui a détruit le bras gauche. L'agent K assiste au retour de son vieil ennemi sur Terre, qui le défie et part en lui disant : « Tu es déjà mort, mais tu ne le sais pas encore ». L'agent K avoue plus tard à J que ne pas avoir tué Boris fut sa plus grande erreur, sans donner plus d'explications. J cherche donc de son côté des informations dans les archives de l'agence « Men in Black » mais certaines lui sont interdites d'accès. Dans la nuit qui suit, K disparait et seul J semble se souvenir de lui : pour le reste de l'agence, K est mort sur le terrain à Cap Canaveral le 16 juillet 1969. Mais O comprend par le comportement de J que Boris a remonté le temps et tué K dans le passé, changeant le continuum espace-temps. La mort de K en 1969 a permis une brèche dans le système de sécurité de la Terre et les boglodites se préparent à une invasion. J décide donc de remonter le temps à son tour, partant pour le 15 juillet 1969 afin de retrouver K avant le Boris du présent. Il utilise pour cela un dispositif créé par un compagnon de cellule de Boris, fonctionnant sur la vitesse accumulée, et doit donc sauter du sommet du Chrysler Building ; le fils du compagnon lui explique avant de partir que si J est le seul à se souvenir de K, c'est parce qu'il a vécu les événements qui ont changé l'histoire. Arrivé en 1969, J part pour Coney Island, où Boris est censé avoir commis son premier meurtre. Là, Boris lui échappe et J est arrêté par K, alors âgé de 29 ans, qui l'emmène aux quartiers du MiB. J y rencontre une version plus jeune de l'agent O et le chef X, mais refuse de donner des informations jusqu'à ce que K le menace avec un neurolyseur géant. J admet donc venir du futur pour empêcher une invasion extraterrestre et arrêter Boris ; K décide de le croire et suit les maigres indices dont J se souvient pour suivre Boris, ce qui les mènent dans un bowling puis dans la Fabrique, le repaire d'Andy Warhol, en réalité un repaire extraterrestre surveillé par l'agent W (Warhol lui-même). Ils y rencontrent aussi Griffin, un extraterrestre Arcadien capable de voir l'ensemble des futurs alternatifs. Celui-ci parvient ainsi à fuir avant que Boris ne vienne pour le tuer. J et K le retrouvent au Shea Stadium, où Griffin leur montre grâce à ses capacités la victoire du championnat de ligue nationale de baseball des Mets de New York avant de confier à K le bouclier Arcnet, un système de défense pour la Terre que K doit déployer. Peu après, Boris réapparait et enlève Griffin, mais les deux agents utilisant des moto-monocycles poursuivent Boris et Griffin. Ils libèrent Griffin, mais Boris s'échappe, en pensant avoir pris à Griffin une boite contenant l'Arcnet. La version de Boris de 2012 utilise un dispositif identique à celui utilisé par J pour parvenir en 1969. Le Boris-1969 se rend compte qu'il a été floué par Griffin et que la boite ne contient que des pastilles de menthe. Le Boris-2012, qui n'a donc plus qu'un bras, rejoint à ce moment précis le Boris-1969, qui a toujours ses deux bras. Après une brève rencontre initialement très tendue par de reproches mutuels sur leurs failles et échecs, ils se réconcilient pour unir leurs forces afin de réussir là où Boris-1969 avait échoué historiquement face à K en perdant à cette occasion son bras.