Di Tiongkok kuno, penguasa Kota Gongmen dari klan burung merak menciptakan kembang api untuk tujuan damai. Namun, putra mereka, Lord Shen, menemukan bahwa bubuk hitam kembang api bisa dijadikan senjata mematikan. Khawatir dengan obsesi Shen, orang tuanya meminta ramalan seorang peramal.

Ramalan itu menyebutkan bahwa Shen akan dikalahkan oleh "pejuang hitam dan putih". Shen menyimpulkan pejuang itu adalah panda, lalu memimpin pasukan serigalanya untuk membantai para panda demi menghindari takdirnya. Ngeri dengan tindakannya, orang tua Shen mengusirnya dari Gongmen City.

Satu tahun setelah Tai Lung dikalahkan, Po kini menikmati hidup sebagai master kung fu. Bersama Furious Five, ia rutin memberantas kejahatan di Lembah Perdamaian. Meski begitu, Master Shifu mengingatkan bahwa Po belum menemukan ketenangan batin. Di sisi lain, Shen kembali dengan pasukan gorila dan serigala, menjarah desa-desa untuk mengumpulkan logam demi membuat meriam raksasa yang akan ia gunakan untuk menaklukkan Tiongkok.

Saat Po dan Furious Five menghentikan salah satu serangan, simbol matahari merah di baju zirah musuh memicu ingatan samar Po tentang ibunya. Po pun bertanya pada ayah angkatnya, Tn. Ping, yang mengungkap bahwa ia menemukan Po saat masih bayi di dalam peti lobak dan mengadopsinya.

Setelah tahu Shen membunuh salah satu pemimpin kung fu, Master Thundering Rhino, dengan meriam, Po dan Furious Five dikirim ke Gongmen City. Shen telah menguasai kota, memenjarakan Masters Ox dan Croc, sementara sang peramal terus mengingatkannya pada ramalan lama.

Di Gongmen City, Po dan Furious Five membebaskan Ox dan Croc, tapi keduanya menolak ikut bertarung. Po dan timnya pura-pura menyerah agar bisa mendekati Shen, namun hampir dieksekusi dengan meriam percobaan. Mereka berhasil lolos dan menghancurkan meriam itu, tapi Po kembali terdistraksi saat melihat simbol matahari merah di bulu Shen. Shen kabur dan menghancurkan istana Gongmen dengan persenjataan lengkapnya.

Setelah kabur, Tigress menghadapi Po, yang akhirnya mengaku bahwa ia mengingat Shen saat terakhir melihat orang tua kandungnya. Demi keselamatannya, Furious Five meninggalkan Po dan melanjutkan misi menghancurkan pabrik meriam Shen.

Po tetap menyusul, tapi konfrontasinya dengan Shen justru menggagalkan rencana dan membuat Furious Five tertangkap. Shen mengatakan bahwa orang tua Po tidak pernah mencintainya, lalu menembaknya dengan meriam dari jarak dekat.

Po terluka parah namun selamat, hanyut di sungai dan diselamatkan oleh sang peramal di desa tempat ia dulu ditemukan. Saat dirawat, Po didorong untuk menerima masa lalunya. Ia pun mengingat kebenaran: ayah kandungnya melawan pasukan Shen, sementara ibunya menyembunyikan Po di peti lobak dan mengorbankan diri agar Po selamat. Dengan berdamai dengan masa lalu, Po akhirnya mencapai ketenangan batin sejati.