ライオンのアレックス、シマウマのマーティ、カバのグロリア、キリンのメルマンの４頭とその仲間たちがマダガスカル島に漂着してから数年後。ようやく飛行機でニューヨークへ帰る手筈が整うが、離陸して間もなく燃料切れで不時着してしまう。そこは、彼らの生まれ故郷、アフリカ大陸だった。様々な動物と交流を育むアレックスたち。だがそんな中、水が枯渇する事態に見舞われる。アレックスたちはその原因究明に奔走する。

ロバート・ネビルは優れた科学者だが、彼でさえ、その恐ろしいウイルスを食い止めるすべを知らなかった。それは誰にも封じることができず、治すこともかなわず、しかも、人間が作り出したウイルスだった。なぜか免疫があったネビルは、荒れ果てたニューヨークで――あるいは世界で――ただ１人生き残っている。この３年間、彼は毎日几帳面に無線でメッセージを流し続け、必死にほかの生存者を捜してきた。だが、確かに彼は"１人"ではなかった。ウイルスに侵され、変異した人間たちが闇に潜み、彼を見つめていたのだ。ネビルを駆りたてているのは唯一残った使命、それは、彼自身の免疫のある血液を使ってウイルスの影響を改善する方法を見つけること。しかし、彼には圧倒的多数の敵が迫り、時間は刻々となくなっていく...。