In 1969 verslaat de Britse geheim agent Austin Powers de meeste handlangers van zijn grote vijand Dr. Evil. Dr. Evil besluit zich in te vriezen zodat Austin hem niet zal kunnen pakken. Austin besluit zichzelf ook in te laten vriezen, voor het geval Dr. Evil ooit weer tevoorschijn komt.

Terwijl geheim agent Dick Dagger de toestroom van voormalige nazi's naar Amerika onderzoekt, wijst zijn collega Harper Davis hem op Rudolph Koffman. Deze voormalige SS-kolonel en concentratiekampbewaker is de baas van een vleesverpakkingsfabriek dat als front voor een geheime neo-nazi organisatie dient. Van hieruit wil Koffman zijn plan om de wereld te veroveren gaan uitvoeren.

Dr. Evil en Mini-Me zijn ontsnapt uit hun gevangenis, om vervolgens samen met de slechte Goldmember een plan voor wereldheerschappij te verzinnen. Dit plan bestaat uit flink wat tijdreizen, en het kidnappen van de spion Nigel Powers, de vader van geheim agent Austin Powers. Terwijl Austin Dr. Evil, Mini-Me en Goldmember door de tijd achterna reist stopt hij in 1975. Hier krijgt hij hulp van een oude vriendin, detective Foxy Cleopatra.