Rocket si ritrova in pericolo di vita, quando il suo passato torna a tormentarlo. I Guardiani devono unirsi e lasciare il comfort della loro nuova casa su Ovunque, per andare in soccorso di Rocket e salvargli la vita. Con nuovi cattivi sempre all'orizzonte e l'atteso debutto del personaggio di Adam Warlock nel Marvel Cinematic Universe (MCU), i Guardiani della Galassia hanno il loro bel da fare anche in questo terzo capitolo.

Spoiler Nel loro nuovo quartier generale su Knowhere, i Guardiani della Galassia (Peter Quill, Nebula, Rocket, Drax, Mantis, Groot, Kraglin e Cosmo) una notte vengono attaccati da Adam, un essere superpotente creato dall'imperatrice dei Sovereign Ayesha, che intende vendicarsi dei Guardiani per l'affronto subito da loro anni prima. Adam aggredisce la squadra prima di essere trafitto da Nebula e messo in fuga; Rocket però viene gravemente ferito e non può essere curato, in quanto il suo corpo ha un dispositivo kill switch, pertanto gli resta poco da vivere. I Guardiani decidono di recarsi al quartier generale della Orgocorp, la società che ha costruito il dispositivo, nella speranza di trovare un codice che disattivi il kill switch. Nel frattempo, sulle tracce dei Guardiani ci sono Ayesha e Adam, entrambi ai servizi dell'Alto Evoluzionario, il creatore di Rocket; l'uomo, ossessionato all'idea di creare la razza perfetta, compì numerosi esperimenti crudeli sugli animali, tra cui Rocket.

Quando Rocket cercò di scappare con altri animali suoi amici ridotti a cavie, l'Alto Evoluzionario li uccise davanti a Rocket, che lo sfigurò strappandogli il viso prima di darsi alla fuga; l'Alto Evoluzionario intende ricatturare Rocket per esaminargli il cervello. I Guardiani ottengono l'aiuto di una squadra di Ravagers, di cui fa parte anche Gamora, per introdursi nell'Orgosfera, quartier generale della Orgocorp, per recuperare il file di Rocket. Vengono scoperti, ma riescono a fuggire e deducono che Theel, uno degli scienziati dell'Alto Evoluzionario, potrebbe avere il codice memorizzato. La squadra giunge sulla Contro-Terra, un pianeta creato dall'Alto Evoluzionario. Gamora ha uno scontro con il gruppo, in quanto non vuole seguirli ed è infastidita dai continui tentativi di Peter di rievocare il rapporto che aveva con la Gamora della sua linea temporale, quindi per farsi prelevare invia ai Ravagers la sua posizione, che viene intercettata da Adam e Ayesha, i quali raggiungono la Contro-Terra. Quill, Nebula e Groot si dirigono alla base dell'Alto Evoluzionario per raggiungere Theel, mentre Drax e Mantis rimangono con Gamora e Rocket.

L'Alto Evoluzionario ordina la distruzione della Contro-Terra, ritenuta imperfetta, e la cattura di Rocket. Mantis e Drax raggiungono Nebula, mentre Gamora difende Rocket da uno scagnozzo dell'Alto Evoluzionario, subito prima dell'arrivo di Adam, a sua volta in cerca di Rocket per conto dell'Alto Evoluzionario; Adam viene messo fuori gioco da Gamora. Quill e Groot sconfiggono gli scagnozzi del criminale e catturano Theel saltando giù dalla nave, recuperando il codice prima di farsi prelevare da Gamora, ignari che Drax e Mantis siano ancora sulla Contro-Terra in procinto di essere distrutta; i due, assieme a Nebula, riescono a salire in tempo sulla nave spaziale dell'Alto Evoluzionario. Adam assiste impotente alla morte di sua madre Ayesha durante la distruzione del pianeta. Il cuore di Rocket si ferma, ma Peter, Groot e Gamora lo rianimano con successo. Intanto Mantis, Nebula e Drax trovano numerosi bambini prigionieri sulla nave; i tre vengono catturati e rinchiusi con le creature aliene Abilisk, che Mantis riesce a far passare dalla loro parte con i suoi poteri empatici.

Quill, Groot, Gamora e Rocket raggiungono i compagni e affrontano l'esercito dell'Alto Evoluzionario. Kraglin e Cosmo portano Knowhere alla nave nemica, così da mettere in salvo i bambini prigionieri; nella ressa, Groot salva anche Adam. Rocket scopre una cucciolata di procioni e altri animali prigionieri, prima di essere attaccato dall'Alto Evoluzionario. I Guardiani, giunti in suo soccorso, riescono a sconfiggerlo e lo lasciano morire sulla nave, portando al sicuro gli animali cavie. Quill non riesce a scappare in tempo dalla nave dell'Alto Evoluzionario e inizia a morire nel vuoto dello spazio, ma viene salvato in tempo da Adam. Una volta tornati su Knowhere, i Guardiani decidono di separarsi: Quill passa il ruolo di capitano dei Guardiani a Rocket, tornando a stabilirsi sulla Terra e riunendosi con suo nonno, Mantis parte in un viaggio in solitaria per scoprire se stessa, Gamora si ricongiunge con i Ravagers e Nebula e Drax rimangono su Knowhere a ricostruire la comunità e allevare i bambini salvati. Nella scena a metà dei titoli di coda, i nuovi Guardiani - ora composti da Rocket, Groot, Cosmo, Kraglin, Adam e dai nuovi membri Phyla e Blurp - svolgono una missione. Nella scena dopo i titoli di coda, Quill fa colazione con suo nonno discutendo della sua nuova vita terrestre.