地球并非人类独有的世界,实际上已有数千名外星人融入人类生活,星际移民局负责处理与外星人相关事务。因外层空间灾难频发,大量外星人来地球避难。美国移民规划局为此设立绝对机密的六处,在此工作的人员身着黑色西装、佩戴墨镜,被称为“黑衣人”。
经验丰富的“黑衣人”K探员(汤米·李·琼斯 饰)收到线报,迅速前往边境沙漠,拦下一辆偷越国境的卡车。他轻松识别出车上的外星人和被外星人控制灵魂的地球人,用特制类似手电筒的仪器消除地球人关于与外星人相遇的记忆,随后将外星人带往总部。根据移民规划局指示,这些外星人可留地球,但需化身为地球动物,以免引发大规模恐慌。
与此同时,一名纽约警察在追捕罪犯,该罪犯是具备天才运动员素质的外星移民。罪犯以极快速度穿越曼哈顿,跑到古根海姆博物馆屋顶,宣称世界末日将至,随后纵身跳下。
这名纽约警察很快被K探员招募进“黑衣人”队伍,成为J探员(威尔·史密斯 饰)。K探员急需J探员协助,共同对抗“吸血魔鬼”埃德加。埃德加原本是脾气暴躁的农夫,与UFO发生“第三类接触”后被邪恶虫族外星人控制。虫族外星人伪装成埃德加(文森特·多诺费奥 饰)来到纽约曼哈顿,以熟食店员工身份刺杀了原外星人首领亚基伦王子罗斯伯,获取了拥有无穷威力的“银河钻石”,这意味着银河系将落入坏蛋之手。
关键时刻,专注研究外星人的医学家劳瑞尔(弗瑞德里克·林恩 饰)发现行踪多变的埃德加,一路追踪到纽约世界博览会旧址,这里已被外星人改造成宇宙飞船。K探员和J探员及时赶到,与变成巨型昆虫的埃德加展开激战,最终粉碎了对方的邪恶阴谋。