灰太狼因捕羊業績不佳導致狼堡被拆，面對懷孕的紅太狼、年幼的小灰灰和日益拮據的家庭處境，在春節臨近時陷入困境。為改變現狀，他帶領家人向青青草原發起反攻。與此同時，月球來客兔小弟帶來危機：原本被糖果環繞的美麗月球遭苦瓜大王侵占，喜羊羊由此得知關于父母的重要線索。為奪回糖果世界并解開身世之謎，羊羊們隨兔小弟啟程月球冒險。混亂中，灰太狼一家意外被卷入太空征程。雙方在月球展開較量時，發現苦瓜大王正用黑暗力量腐蝕這片土地。通過兔小弟指引和喜羊羊的智慧，兩方化敵為友，在破解糖果機關的過程中逐步揭露苦瓜大王真面目。最終雙方合力摧毀黑暗能量源，恢復月球往日的甜蜜景象，并意外促成灰太狼與喜羊羊短暫和解，為這場跨星球的奇幻冒險畫上句點。本片作為《喜羊羊與灰太狼》第三部電影劇場版，首次采用3D技術呈現太空冒險故事。