電影根據 1961 年的動畫《大鬧天宮》改編，講述《西遊記》中美猴王孫悟空大鬧天宮的故事。向已經有 70 年曆史的華語動畫電影致敬。
一如大家熟知的故事，《大鬧天宮 3D》描述美麗的花果山中有一位神通廣大的美猴王，但苦於沒有一件得心應手的兵器，一直無法施展自己的本領。為此，他來到東海龍宮找尋寶物。傲慢的龍王根本沒把這個不起眼的小猴子放在眼里，同意無論什麼兵器只要他能拿得動就可以借給他。不料，看似手無縛雞之力的美猴王，居然將三萬六千斤的定海神針、也就是如意金箍棒玩於股掌之中。他在擺弄這根超級神針時還能輕巧地擺出各種姿勢，讓龍王相當生氣。
氣急敗壞的龍王到了天宮誣告猴王搶走了定海神針，玉皇大帝於是同太白金星的計謀，打算誘騙猴王上天並封他為看管天馬的官位，趁机將他軟禁起來想就此此息事寧人。毫無戒備的猴王悠哉悠哉地騰云駕霧上了天宮。生性無拘無束的猴王開始了他的搗亂行動，首先放開了天馬，這下惹惱了御馬監的主管馬天君。馬天君對猴王冷嘲熱諷，肆意責罵，盛怒之下，他砸爛了御馬監，一個筋斗翻回了花果山，豎起了齊天大聖的旗幟……。
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