Un grupo de jóvenes amigos se embarca en un viaje por carretera para asistir a una emocionante convención de videojuegos en una ciudad vecina. Tras un accidente inesperado en la carretera, uno de ellos tiene una visión aterradora que le muestra cómo todos morirán en una serie de eventos desafortunados. Aunque inicialmente desestiman su experiencia como un simple delirio, pronto comienzan a darse cuenta de que algo siniestro está en marcha.

En un mundo donde la normalidad se define de maneras extrañas, una joven llamada Chloe vive encerrada en la casa de su padre, un hombre sobreprotector que la mantiene alejada de cualquier tipo de interacción con el exterior. Chloe tiene un deseo ardiente de descubrir la verdad sobre su mundo, pero su padre la mantiene atemorizada con historias escalofriantes sobre el peligro que acecha más allá de las paredes de su hogar. Sin embargo, su curiosidad la lleva a aventurarse fuera de la seguridad de su encierro, donde pronto se halla en una realidad completamente diferente.

En una noche mágica en el Museo de Historia Natural de Nueva York, Larry Daley, el guardia nocturno más genial de la historia, descubre que la magia que da vida a las exposiciones está empezando a desvanecerse. Tras una serie de eventos peculiares y cómicos, se entera de que el secreto que mantiene todo en movimiento reside en un antiguo artefacto que no solo hizo posible la magia, sino que también necesita un “retoque” urgente.

Cuando Larry Daley, el ex vigilante del museo de historia natural, se convierte en un exitoso empresario, piensa que sus días de aventuras nocturnas han quedado atrás. Sin embargo, el caos se desata cuando se entera de que su querido museo está a punto de ser cerrado y los valiosos artefactos serán llevados al Smithsonian Institution en Washington D.C. Pero lo que Larry no sabe es que allí, las cosas no son tan tranquilas como parecen.