Действие фильма происходит в США в двух временных линиях: в 2012 году и в 1969 году. В события вовлечено агентство «Люди в чёрном», секретная организация, ведающая делами пришельцев на Земле.
Межгалактический уголовник Борис «Животное» (Джемейн Клемент), представитель расы боглодитов, инопланетных захватчиков, уничтожавших целые миры, с помощью своей сообщницы Лилли (Николь Шерзингер) сбегает из Лунной тюрьмы и намерен вернуться в прошлое, чтобы убить агента Кея (Томми Ли Джонс). Почти сорок лет назад, 16 июля 1969 года молодой агент Кей лишил Бориса руки и арестовал его. После преследования и перестрелки с агентами Борису удаётся бежать, и Кей сожалеет, что в прошлом не убил его. Он возвращается к себе на квартиру, где его следы исчезают. Агент Джей (Уилл Смит) помнит Кея живым, но для всех «Людей в чёрном» он мёртв с 1969 года. Агент O (Эмма Томпсон) и Джей приходят к выводу, что переворот произошёл в пространственно-временном континууме. Оба они понимают, что Борис, сбежав из тюрьмы, стал каким-то образом причастен к происшедшему. Боглодиты начинают массированное вторжение на Землю, так как защитное устройство «АркНет» не было установлено в 1969 году из-за смерти Кея.
Джей выходит на торговца электроникой Джеффри Прайса, нелегально предоставляющего возможность перемещаться во времени, и узнаёт, что именно он отправил сбежавшего Бориса в 1969 год, и отправляется вслед за ним в прошлое. У Джея есть 24 часа, чтобы остановить Бориса. На Кони-Айленд, где Борис убивает биоида Романа Звездочёта, молодой агент Кей (Джош Бролин) арестовывает Джея и допрашивает, таким образом дав Борису скрыться. Джей рассказывает ему правду. Сначала Кей не верит ему и по приказу директора Экса отправляет Джея на нейрализацию. В последнюю секунду Кей выключает нейрализатор, поверив Джею. Вместе они следуют по следам Бориса и выходят на последнего из расы арканианцев, уничтоженных боглодитами, Гриффина. Арканианцы способны предсказывать все вероятные будущие и могут переживать их все. Кей с Джеем спасают Гриффина от Бориса и он передает им «АркНет». Устройство необходимо поместить на стартующую к Луне ракету «Сатурн» и у них осталось шесть часов. После прибытия на мыс Канаверал, агентов и Гриффина арестовывают. Полковник (Майк Колтер) отпускает агентов после того, как Гриффин, живущий сразу во многих измерениях, показывает ему их предназначение.
На верхнем этаже стартового комплекса Джею и Кею перекрывают путь два Бориса — один из нашего времени, другой из 1969 года. Джею после тяжёлой схватки с «современным» Борисом удаётся сбросить его в шахту стартующей ракеты и он гибнет в огне. Тем временем Кей во время боя с Борисом-современником также сбрасывает противника вниз. Кей устанавливает «АркНет» на ракете, и защитный экран разворачивается после её выхода в космос. Полковник поздравляет Кея, который предлагает ему вступить в агентство. Однако, неожиданно появляется чудом выживший после падения Борис из 1969 года, который собирается убить Кея, но полковник закрывает его от пущенного в него шипа и погибает. Борис подстрекает Кея арестовать его, но Кей, уже зная, что из этого выйдет, убивает Бориса. После этого мальчик по имени Джеймс выходит из военной машины и начинает искать своего отца. В отдалении Джей наблюдает эту сцену и понимает, что мальчик и есть он сам в детстве. Кей использует нейрализатор, и говорит маленькому Джею, что его отец был героем. Джей возвращается в настоящее, где встречает Кея в их любимом кафе. Там он показывает Кею карманные часы отца — это намёк на то, что ему всё известно. Когда они уходят, Гриффин размышляет, что это его самый любимый вариант земных событий, за исключением того, что Кей забыл оставить чаевые, указывая, что они находятся в измерении, где к Земле приближается астероид. Но Кей возвращается и оставляет чаевые, тем самым реализуется другое измерение, в нём астероид разрушается при столкновении со спутником.

Когда Джей приходит в себя в офисе ЛВЧ после удара шокером, нанесённого Кеем, среди инопланетян можно заметить Гриффина, хотя агенты ещё не были с ним знакомы.

Когда Джеффри Прайс настраивает вектор прибора, помогающего перемещаться во времени, на 15 июля 1969 года, можно заметить "современную" дату — 20 мая 2012 года.
Также в фильме можно заметить персонажей из других фантастических фильмов. Например в начале фильма, когда агенты зачитывают речь в честь агента Зета, можно увидеть полупрозрачного инопланетянина похожего на представителя расы Мон-каламари из Звёздных войн и существо в китайской закусочной похожее на макгвая из фильма Гремлины.

Когда агента Джея останавливает полиция 1969 года, на заднем плане можно увидеть плакаты на которых изображены Роман Звездочёт, знакомый по предыдущим частям мопс Френк (который в то время выступал в цырке как говорящий пёс) и двухголовая женщина, предположительно тоже из предыдущих частей.