Di Lembah Perdamaian, sebuah wilayah di Tiongkok kuno yang dihuni hewan-hewan antropomorfik, Master Shifu, seekor panda merah yang galak, mendapat peringatan dari gurunya, Master Oogway, kura-kura bijak pendiri kung fu sekaligus pemimpin spiritual lembah.

Oogway meramalkan bahwa Tai Lung, mantan murid Shifu yang berkhianat, akan kabur dari penjara dan menyerang lembah demi merebut Gulungan Naga, artefak legendaris yang memberi kekuatan tanpa batas, kekuatan yang dulu tak pernah ia dapatkan.

Shifu langsung meningkatkan keamanan di Penjara Chorh-Gom lewat asistennya, Zeng si angsa, lalu mengadakan turnamen untuk memilih Dragon Warrior, pahlawan terpilih yang layak membaca Gulungan Naga. Di saat bersamaan, Po, seekor panda besar yang sehari-hari membantu ayah angkatnya, Tn. Ping, berjualan mi, bermimpi jadi ahli kung fu.

Ia datang terlambat ke turnamen, tapi karena usaha kocaknya masuk arena dengan kursi dan kembang api, Po justru mendarat tepat di depan Furious Five, Tigress, Monkey, Crane, Viper, dan Mantis. Secara mengejutkan, Oogway langsung menunjuk Po sebagai Dragon Warrior.

Shifu menganggap pilihan itu cuma kecelakaan. Latihan pertama Po berantakan dan Furious Five meremehkannya, bikin Po nyaris menyerah. Namun Oogway menyemangatinya untuk bertahan. Perlahan, Po mulai akrab dengan Furious Five berkat kegigihan dan humornya. Tigress pun mengungkap bahwa sikap keras Shifu berasal dari rasa bersalahnya karena dulu membesarkan Tai Lung sejak bayi, sebelum akhirnya dikhianati.

Sementara itu, Tai Lung berhasil kabur dari penjara dengan memanfaatkan bulu milik Zeng. Mendengar kabar buruk itu, Shifu melapor pada Oogway. Sebelum pergi ke Alam Roh, Oogway memaksa Shifu berjanji untuk percaya pada Po dan menunjuk Shifu sebagai penerusnya.

Shifu lalu memberi tahu Po dan Furious Five bahwa Tai Lung telah kabur, dan hanya Po yang bisa menghentikannya. Namun Po memaksa Shifu mengaku bahwa ia sebenarnya tidak tahu cara melatih Po sebagai Dragon Warrior. Percakapan itu terdengar oleh Tigress, yang kemudian membawa Furious Five pergi diam-diam untuk menghadapi Tai Lung sendiri.

Shifu akhirnya sadar potensi Po benar-benar keluar kalau ada makanan. Ia pun melatih Po dengan gaya kung fu unik yang disesuaikan dengannya. Di sisi lain, Furious Five bertarung melawan Tai Lung, tapi kalah telak akibat teknik serangan sarafnya.

Merasa Po sudah siap, Shifu memberikan Gulungan Naga, namun Po mendapati gulungan itu kosong. Mengira gulungan itu tak punya kekuatan, Shifu menyuruh Po dan yang lain mengevakuasi lembah, sementara ia menghadapi Tai Lung sendirian.

Untuk menenangkan Po, Tn. Ping mengungkap bahwa sup andalannya sebenarnya tak punya bahan rahasia apa pun, yang bikin spesial hanyalah keyakinan. Po pun sadar, itulah pesan sebenarnya dari Gulungan Naga. Dengan kepercayaan diri baru, Po bergegas kembali ke lembah untuk membantu Shifu melawan Tai Lung.