Di Alam Roh, Master Oogway bertarung melawan General Kai, yak sakti yang telah mencuri chi dari para master kung fu yang telah wafat. Saat Kai berhasil mengambil chi Oogway, sang kura-kura bijak memperingatkan bahwa akan ada seseorang yang ditakdirkan menghentikannya. Dengan kekuatan chi curian itu, Kai kembali ke Alam Manusia, dan marah besar karena namanya sudah dilupakan sejarah.

Di Lembah Perdamaian, Master Shifu mengumumkan pensiun dan menunjuk Po sebagai penerusnya. Sayangnya, percobaan pertama Po mengajar Furious Five berujung gagal total. Shifu yang sudah merasakan bakal datangnya bencana menyarankan Po untuk jadi diri sendiri dan belajar menguasai chi. Patah semangat, Po pulang ke rumah dan bertemu Li Shan, seekor panda yang mendapat 'pesan dari alam semesta' bahwa anaknya masih hidup. Keduanya langsung sadar: Li adalah ayah kandung Po. Mereka cepat akrab, bikin ayah angkat Po, Tn. Ping, merasa cemburu dan tersisih.

Setelah Li dikenalkan ke Shifu dan Furious Five, Po dan timnya mempertahankan lembah dari serangan zombie giok ciptaan Kai, kloning para master kung fu yang chinya dicuri. Terungkap bahwa Kai dan Oogway dulu adalah sahabat seperjuangan. Kai pernah menyelamatkan Oogway dan membawanya ke desa panda rahasia di pegunungan. Di sanalah Oogway belajar memberi chi, sementara Kai malah tergoda mengambil chi demi kekuatan pribadi, hingga akhirnya diasingkan ke Alam Roh.

Li menawarkan membawa Po ke desa panda untuk belajar chi. Shifu dan Furious Five tinggal menjaga lembah, sementara Tn. Ping ikut ke desa karena tak mau kalah dekat dengan Po. Di desa, Po bertemu para panda lain. Li mengatakan ia akan mengajari chi, tapi setelah Po belajar hidup sebagai panda dulu.

Sementara itu, Kai menghancurkan Istana Giok dan mencuri chi semua master kung fu yang masih hidup, termasuk Shifu dan Furious Five (kecuali Tigress), lalu mengubah mereka jadi zombie giok. Tigress berhasil kabur dan memberi tahu Po. Saat Po menuntut Li mengajarinya chi sekarang juga, Li mengaku ia berbohong karena takut kehilangan Po lagi. Kecewa berat, Po menjauh dari ayah kandungnya dan berlatih sendirian untuk mengalahkan Kai.

Tn. Ping menenangkan Li dan yakin Po akan memaafkannya. Po menyusun rencana untuk mendekati Kai dan mengirimnya kembali ke Alam Roh dengan jurus Wuxi Finger Hold. Namun Li, Tn. Ping, dan para panda meminta Po melatih mereka agar bisa bertarung bersama. Po akhirnya sadar kesalahannya dulu sebagai guru. Ia pun melatih para panda bukan untuk meniru kung funya, tapi mengubah aktivitas sehari-hari mereka jadi teknik bertarung. Di sela latihan, Po dan Li berdamai dan kembali jadi keluarga.