O filme começa numa floresta próxima à cidade do Rio de Janeiro, no Brasil, quando são mostrados passáros de várias espécies felizes, cantando e voando, enquanto um filhote de Ararinha-Azul fica também feliz ao ver a cena, mas não consegue voar, e acaba caindo do topo do seu ninho. A um certo ponto, várias dessas aves são engaioladas, inclusive a ararinha. Então eles são levados para a cidade de Moose Lake, em Minessota, nos Estados Unidos, durante o inverno, em tempos de neve, e muitos deles são abandonados, inclusive a ararinha azul em questão, cuja gaiola cai na rua. Em seguida, uma garota habitante da cidade chamada Linda encontra o pássaro abandonado e o leva para a sua casa, prometendo cuidar dele para sempre e o dando o nome de Blu. Ao longo de vários anos, Linda e Blu crescem e se tornam grandes amigos.
O filme continua mostrando uma cena 15 anos depois, de Linda acordando com Blu em sua livraria. É possível ver os vários brinquedos e outros pertences de Blu, bem como seu relacionamento com os pássaros nativos. Um pouco depois dessa cena, um cientista do Rio de Janeiro chamado Túlio entra na livraria e fala com Linda, dizendo que Blu é o último macho das espécies de ararinha-azul, e que precisa levá-lo até o Rio de Janeiro, onde há a última fêmea, para fazer eles acasalarem e preservar a espécie. No início Linda rejeita a proposta, mas depois pensa melhor e resolve partir para o Rio de Janeiro.
Ao chegar lá, Blu é colocado numa estufa própria para o acasalamento, onde conhece a fêmea da sua espécie, que chama-se Jade. Blu se apaixona por ela e no começo tenta beijá-la, mas Jade fica com raiva porque tem um único interesse: fugir. Em seguida o local é invadido por contrabandista de animais, que sequestram Blu e Jade, acorrentam os dois de modo que fiquem ligados, e os engaiolam para vendê-los, porque são aves muito valiosas. A certo ponto Jade abre a gaiola e tenta escapar, mas é bloqueada pela catatau Nigel, um passáro maldoso e cruel que pertence ao chefe dos contrabandistas. Fernando, um garoto pobre sem família, participa do sequestro, mas ele faz isso contra a vontade. De bom caráter, Fernando só ajuda os contabandistas porque precisa de dinheiro para sobreviver. A convivência com humanos fez de Blu uma ave especial, capaz de atitudes não usuais em sua espécie. Essa característica permite que após o sequestro ele consiga abrir a gaiola e escapar junto com Jade. Nesse ponto animação investe na adrenalina e, tendo Nigel em seus calcanhares, Blu e Jade participam de uma cena de perseguição de tirar o fôlego. A fuga se desenrola em paralelo com cenas de um clássico jogo de Futebol do Brasil contra a Argentina Quando no jogo a tensão aumenta e a possibilidade de ocorrer um gol está muito próxima, Nigel entra em choque com um transformador, causando um blecaute geral que impede os cariocas de verem o gol.
Depois de despistarem Nigel, eles se perdem na grande floresta que faz parte da paisagem natural do Rio de Janeiro. Jade sugere que eles durmam em cima de uma árvore para pedir ajuda no dia seguinte, mas Blu diz que prefere dormir em algo construído pelos seres humanos. Eles acham uma construção turística e histórica da cidade, o coreto da Vista Chinesa, e escalam-o até o topo (já que Blu não sabe voar). No dia seguinte eles conhecem uma família de tucanos, inclusive o pai deles Rafael, que tenta ensinar, naquele dia, Blu a voar. Jade,Rafael e Blu seguem para a Pedra da Gávea e lá passaro "americano" é estimulado a voar. Rafael tenta convencê-lo dizendo que ele precisa acreditar em si mesmo e sentir com o coração. Apesar de tudo, Blu não conseguiu voar, e se salvou após cair em cima de uma asa-delta e guarda-sóis. Depois disso Blu conhece diversos personagens como um sagui ladrão, um buldogue Luiz, de uma loja de motosserras, que conseguiu os separar da corrente que os ligava. Está ocorrendo a semana do carnaval no Rio de Janeiro e Blu gostaria de voar para aproveitar a festa, mas não consegue. Enquanto isso, Linda fica muito triste ao saber que perdeu seu pássaro querido, e inclusive se enfurece com Túlio. Os dois espalham vários cartazes de desaparecimento pela cidade e pergunta para várias pessoas se elas viram o pássaro, sendo que a maioria responde que não. Fernando percebe que Blu deixou uma de suas penas no local onde estava preso, e em seguida vê um dos cartazes de Linda e Túlio e resolve procurá-los para dizer que sabe onde o pássaro está. Ele os leva de motocicleta até o local onde os pássaros estavam presos mas não encontra nada, já que eles tinham fugido. Entre os pássaros, Blu diz que odeia samba, o que acaba deixando Jade chateade e fazendo-a fugir. Nigel consegue capturar Jade, e a prende novamente na gaiola, enfurecendo Blu e o fazendo ir atrás dela.
Linda e Túlio depois encontram indícios de que os pássaros estariam numa escola de samba, mas como só quem é da escola pode entrar, eles se fantasiam de araras-azuis. Linda acerto ponto, aparece em cima de um carro alegórico durante o desfile de carnaval e tem de aprender a sambar. Mais tarde Blu chega até Jade mais fracassa e tentar ajudá-la, já que Nigel o prende na gaiola junto com Jade. Túlio e Linda percebem que Blu e Jade estão sendo levados num avião, no aeroporto, e com o carro alegórico resolvem os seguir e impedir o voo, mas não obtiveram sucesso, o que faz Linda ficar muito triste.
Durante o voo, Blu consegue a maioria das gaiolas batem e quebrem, dando liberdade para os vários pássaros presos, que fogem voando. Blu ainda continua com medo de partir por não saber voar, e nesse momento Nigel chega e tenta prendê-los novamente, mas Blu consegue empurrar para a turbina do avião, fazendo ele cair. Em seguida Blu cria corage, e consegue voar, salva Jade e ela lhe dá um beijo e nesse mesmo tempo consegue descer e voltar para Linda. O filme acaba mostrando Linda, Túlio e Fernando como uma família, Jade livre na natureza, como queria, Blu se despede de Linda, e segue com Jade. Também são vistos os filhotes de Blu e Jade, enquanto os contrabandistas são presos e Nigel cai e fica despenado.
