羊族运动会将要在青青草原上举办。为选拔出圣火传递手，羊村进行了别出新意的比赛。一心想要成为传递手的村长在暗中作手脚，不想却遭到灰太狼屡屡破坏。众小羊得知一切后，悄然使村长顺利成为圣火传递手，并一同惩治了灰太狼。

村长和刀羊传接火炬，中途遇灰，二老羊虽侥幸脱险，但火种意外落入狼尾，狼夫妇正要灭火时被赶到的村长与众羊喝止，狼夫妇以火种要挟换羊，村长欲牺牲自己救火种感动众羊，众羊协力捉住灰将其当成火炬点燃圣火台。

羊运会的开幕典礼上齐聚了世界各国的羊，好胜的绵羊们好奇不已，逐一向他们发起挑战，结果碰壁而归。同时也让馋唾欲滴的灰太狼望而生畏，但最后还是被他抓到了一只羊，倒霉的是那只羊是来自未来、身怀绝技的机械羊。

灰太狼夫妇没办法进羊村捉羊，于是想到由潇洒哥与黑大帅身上入手，把他们的门票骗到手，然后混进羊村，谁知事与愿违，无意中被小羊们识穿，并把他们打飞，另一边，潇洒哥与黑大帅几经周折方进入羊村看比赛。

羊族请来扁嘴伦做解说员，抢了潇洒哥和黑大帅的风头。但扁嘴伦的解说水平让群羊滴汗。灰太狼和红太狼混进了足球比赛想捉羊，混乱中把扁嘴伦炸伤，潇洒哥和黑大帅顺理成章地当上了解说员。而灰太狼又找个机会混进了黑山羊队……

足球赛上，黑羊队出阴招再加上潇洒错误解说使绵羊队得亚军，灰欲成族长而假扮受伤的黑羊利用善良的懒、暖、美混进黑羊队，并从中挑拨离间，不料黑羊队自责并将灰准备练习的射击枪械赠送给众羊，灰气，毅然独自参赛。

射击比赛前夕，慢羊羊对参赛选手进行严格训练，骄傲的沸羊羊训练时不认真，意外败给暖羊羊，后悔的他开始认真锻炼；与此同时，灰太狼为了阻止小羊的训练，在暗中屡次搞破坏，谁知害人不成，反害了自己。

比赛在即，沸羊羊是夺冠大热。懒羊羊不服气，以苹果为靶秘密练习。灰太狼为助黑山羊获胜，发明定向子弹，不管朝哪儿打，子弹只中标签物。不料，子弹意外遗落，被懒羊羊拾到，并把难看的标签换成苹果，结果百发百中，懒羊羊自信是神枪手，满怀信心参加比赛。

重新研制了定向子弹后，灰太狼信心十足。赛场上他让其他羊先射击，想着自己的空靶就是定向子弹的目标物了。懒羊羊也信心十足，可是他却得了零环，最后一发误中了灰太狼的靶。轮到灰太狼时，子弹全部射向懒羊羊的靶子，乌龙懒羊羊竟然进入冠军争夺赛。

为了族长的宝座，灰太狼将懒羊羊打晕并装成他的样子参加了自由射击比赛决赛，但没有料到呆头呆脑的机器羊竟然是百发百中的神枪手，灰太狼唯有使出混身解数，一度接近胜利的边缘，却因为意外，不但功亏一篑，而且接连因为自己的奸计被痛殴。

喜羊羊替懒羊羊报名参加跳水比赛。但懒羊羊畏高，拒绝参加比赛。喜羊羊等以蛋糕相诱，带懒羊羊到悬崖练笨猪跳，懒羊羊终于克服了畏高症。另一边，灰太狼想方设法为机械羊研究防水胶，却被红太狼用万能胶换了，灰太狼被粘得动弹不得……

为了族长梦想，灰太狼努力训练机械羊跳水，并改造他们的程序，意图夺得跳水金牌，但是没想到懒羊羊居然大爆冷门，在跳水时入睡，优美的睡姿打动所有观众裁判，轻松地捧走了金牌。

懒羊羊与美羊羊练习双羊跳水，动作协调不一。自恃冠军的懒羊羊责怪美羊羊而招致大家的批评，懒羊羊赌气出走。同一时，灰太狼因训练机械羊失败而被红太狼责打，失落离去恰好遇见懒羊羊。灰太狼心生奸计，决定拉拢懒羊羊，懒羊羊懵然答应。

得知懒羊羊背叛绵羊队，竟代机械羊出赛，大家等都很气愤。可是苦于美羊羊找不到好搭档，村长只好通过时光机器，把美丽的花羊羊请来帮忙。怎知，村长一见旧女友花羊羊便失控，争着要比赛，美羊羊只好答应。不料，在练习中村长闪了腰。那时离比赛还有一天。

村长的意外受伤让羊村在双羊跳水项目面临巨大危机，最后临时变阵由沸羊羊与美羊羊出赛，而成功拉拢了跳水新明星懒羊羊的灰太狼志得意满，以为冠军一定是他的囊中物时，各队竟然都请出擅长水上活动的外援，比赛因而变得乌烟瘴气，族长终于决定使用外援的羊队全部取消资格。

击剑赛场上，两场激烈的半决赛同时进行着，首先由绵羊队对垒机械羊。喜以技术性击倒了一号机械羊，懒则以运气赢得了比赛，结果绵羊队顺利晋级。另一边黑山羊队以龌龊手段赢来了晋级机会，两队将在总决赛上决一高下。

刀羊带队员挑畔并击剑击败村长，众羊不服逼懒试探军情却因误会而轻敌，村长为给个教训众羊，与刀羊族长假扮黑羊队令再来试探军情的懒、沸、喜惊逃却巧遇灰被捉，三老羊相救却落入狼手，紧急时刻，黑羊队出现打走灰。

击剑总决赛开始，黑山羊队欲使下三流招数取胜，刀羊与潇洒哥等无意中发现，结果惹来被绑之祸，使灰太狼有机可乘，几乎吃掉，幸刀羊他们机灵，反败为胜，另一边，黑山羊队终于靠下三流招数打败喜羊羊他们取得了冠军。

凭借着敏捷的身手与孔武的体型，喜羊羊与暖羊羊在斗角比赛中闯关晋级。灰太狼在一边审时度势盘算着做族长的计划，红太狼却下令要灰太狼马上捉羊充饥，灰太狼唯有设下陷阱，不想果真捉到一只羊。红太狼心急一口咬下，结果银牙破碎，原来是一只机械羊。

喜羊羊的对手居然是一只盘羊。盘羊体形高大，让喜羊羊几乎无法招架。经过一番苦战，喜羊羊最终还是落败，但喜羊羊对暖羊羊对盘羊一战充满信心。赛场外，灰太狼为了得到入场观看的资格，不断地去偷其它动物的角，而终被追打。

喜羊羊发现暖羊羊训练时精神不振，于是跟踪，发现它居然被盘羊的号角所吸引，到盘羊群队中睡觉。经过毛发比较，大家得知暖羊羊原来是盘羊一族的。慢羊羊鼓励暖羊羊认亲，没想到反被盘羊队领队拒绝，原来领队是想要一场公平的比赛。

众绵羊为了帮助被盘羊号角声扰乱了作息时间的暖羊羊，用尽了各种方法，但还是徒劳无功。最后喜提议偷取号角，结果被村长当场阻止，却被以营养师身份混进绵羊队的灰太狼听到。灰太狼成功偷取号角，却引起盘羊的骚乱。

灰太狼为助羊村夺得金牌，骗走盘羊队所有号角，使得他们缺乏睡眠，在比赛时精神不足，然而暖羊羊宁愿冒着失败的危险都不愿违背奥运精神，不仅要求在公平的情况下重新比赛，并最终夺得冠军。

美羊羊终于可以与心仪的羚羊公主同台比赛体操，非常高兴，谁知却遭沸羊羊的多番滋扰，无奈下，只好接受沸羊羊的好意，吃了一块由营养师灰太狼所做的压缩饼干，结果，这块饼干在比赛中发作，使美羊羊从平衡木上掉下。

美羊羊自从由平衡木上摔下后，对比赛失去信心，众羊忧心，于是连同营养师灰太狼，想尽各种方法帮美羊羊从失败的阴影中走出来，不料却适得其反，使美羊羊更加害怕接下来的比赛，甚至还向慢羊羊村长要求退出。

美羊羊再没信心比赛。灰太狼认为她已经没用了，干脆把露出狼真面目，把她捉回家下锅，并让红太狼扮美羊羊比赛。练习时，暖羊羊笨手笨脚，惹怒了红太狼，红太狼一气之下把暖羊羊也捉了。危难中，暖羊羊运用体操技巧，带着美羊羊成功从狼堡逃生。首次没失误，知足的暖羊羊非常高兴。这反而鼓励了美羊羊，她决定重返体操馆。

在众小羊的帮助下美羊羊信心十足地去参加比赛，可到达赛场上的时候，却发觉场上观众全无，唯有一名裁判。原来观众们都认为这场女子体操比赛羚羊公主将会毫无悬念胜出。谁知经过挫折而成长的美羊羊尽情发挥，击败羚羊公主，终获冠军。

心高气傲地羚羊公主对败给了美羊羊一直耿耿于怀，在黑大帅，灰太狼等的掺和下，向美羊羊下达了在危险的场地再比试一次，众羊也因此迁怒于混在他们当中的灰太狼，让灰太狼代替美羊羊进行比赛，当灰太狼历尽千辛万苦后，却发现真正的比赛依然是美羊羊与羚羊公主对决。

族长领餐与懒挣抢灰的草失败，灰意外捕获蛤蟆公主，族长偷草被其咬并先后逃走，灰带草回狼堡，红不见蛤蟆以为被骗便自己去捉，而蛤蟆大军已达羊村被包包大人阻止，喜用计找出凶手族长并在其押送，途中被狼夫妇发现。

喜羊羊用计引出灰太狼和红太狼，还族长一个清白。灰太狼为自保出卖了红太狼。沸羊羊准备迎接男子体操比赛，而懒羊羊却将沸羊羊的营养餐全部偷吃了。灰太狼去救红太狼时，遇到一只身手敏捷的羚羊，原来这只羊就是沸羊羊的对手——体操王子。

好胜的沸羊羊邀战羚羊家族的体操王子，胜负未分反倒累及它们在比赛场上失手。为此，势利的羚羊家族驱逐了体操王子。体操王子流落在草原上却遇见了乔装的灰太狼，误以为是同类。结果被灰太狼骗至狼堡成为阶下囚。

自从营养师失踪后，懒羊羊闷闷不乐，四出寻找，结果与寻找羚羊王子的羚羊公主相遇，并双双被灰太狼所捉，幸喜羊羊与沸羊羊聪明，几经艰苦地把他们从狼堡中救出，并且利用包包大人把灰太狼夫妇打飞上了空中监狱。

面对为救自己而负伤的喜羊羊，愧疚的羚羊王子献出密药，希望可以帮到喜羊羊，但谁知村长发现这个药原来是兴奋剂；另一方面，灰太狼无意中发现空中监狱的胡萝卜有兴奋作用，于是带着萝卜逃回地面，想骗喜羊羊饮下萝卜汁

灰太狼万万想不到，自己给喜的那杯兴奋萝卜汁被懒喝了，结果喜在短跑比赛中的成绩让灰太狼大失所望。大中小飞虽然获胜，但被验出服用兴奋剂而被取消资格，将要面对被逐出羚羊队的命运，幸亏王子及时出手挽留了他们。

羊运会的乒乓球比赛前，大家得知藏羚羊队连获十届冠军的辉煌历史，灰太狼为了让青青草原队获得冠军，又偷又抢藏羚羊的秘密球拍，最后在付出了极大的代价下，终于将球拍交到了懒羊羊手上，但是在开赛前，他们发现，所谓藏羚羊的秘密武器，赛场上竟然羊手一块头。

乒乓球赛开始，懒羊羊的对手是只大块头羊羊，他非常羡慕沸羊羊对着忽悠老羊。殊不知，忽悠老羊就是传闻中的十连冠，两三下功夫就收拾了沸羊羊。忽悠老羊一直想寻找对手。而懒羊羊又一次乌龙晋级，忽悠老羊误以为他是高手，准备与其展开一场恶战。结果，他不但失望，而且很恼火。

喜右脚被村长验伤时错伤，三飞羊取笑却因喜拆开纱布而尴尬走开，村长发现要其绑回，而灰耍计顶替泰哥赶走其他选手被泰哥捉个正着打飞，4X100接力赛场只剩羚羊和绵羊队，两队不分上下，喜最终克服困难获得冠军。

无奖牌收成的盘羊一族准备在链球比赛中实现“零的突破”，不想遇见了当裁判的灰太狼。为了做族长，灰太狼一心偏帮羊村，使出奸诈手段，扰乱了比赛，使盘羊的计划落空，暖羊羊轻松获胜，而灰太狼也为此付出惨痛代价。

灰太狼夫妇为了逃避变形兔的追捕，无意中来到了盘羊队的营地，并偷听到盘羊队领队要暖羊羊作弊，让盘羊队拿一回金牌的事，灰太狼感到很气愤，因为这样会破坏他做族长的计划，于是制适很多放有纸条的蛋糕通知绵羊队。

暖在标枪比赛上的两次失误让盘羊领队高兴不已，以为暖真的是在帮自己。灰太狼用以揭穿暖背叛绵羊队的纸条无意中落入双蛋手中，被双蛋广为传播，绵羊队得知此事，但丝毫没有动摇对暖的信任，结果暖还是击败了盘羊队。

双蛋暗访族长，却发现族长骑着慢羊羊改造后的坐骑四处捣蛋，双蛋艳羡，也想做族长，而出外觅食的灰太狼见到族长乱发金牌后，想到办法，决定偷取金牌给羊村。于是双蛋与灰太狼各自暗怀鬼胎，趁夜偷偷溜进族长的山洞。

双蛋与灰太狼摸黑混战，最后偷走了族长制服和坐骑。而灰太狼也无意间发现了族长的奖牌储藏室。第二天，双蛋打着“代理族长”的旗号在比赛场上捣乱，而真正的族长在森林里游荡时，遇到灰太狼假扮的绵羊，将族长身上的金牌洗劫一空。

为了将奖牌送入羊村，灰太狼几经辛苦挖通一条通往羊村的地道，不想回家却发现奖牌已被红太狼融化成饰物。另一边，喜羊羊无意中救起被困的族长。为找出抢劫犯，族长设计用南瓜饼冒充奖牌，让灰太狼再次抢劫成功。族长扬言持有南瓜饼的就是真凶。

灰太狼把南瓜饼奖牌送入羊村，不想却被馋嘴的懒羊羊全数偷去，几经周折南瓜饼奖牌散落在整个草原上，族长的缉凶的计划落空。而赛场上，要与喜羊羊一竞高下的赛跑选手奔奔羊因喜羊羊的不在轻松获胜，奔奔羊深感失落。

灰太狼得到了族长套装之后，假扮族长，要众羊停止比赛，而且还骗他们一个个的到他营地去，借奖赏为名，实乃吃羊，另一边厢，真的族长与喜羊羊再次回到赛场，并且由懒羊羊口中得知比赛停止的原因，不禁怔住了。

族长来到草原找假扮自己的灰太狼算账，结果沦为了锅中物。众羊成立奥委会开紧急会议，想对策营救族长，结果被喜羊羊想到了一个妙计，令所有动物都想要得到灰太狼身上的毛，灰太狼大惊失色弃羊逃跑。喜和奔乘胜追击。

追捕灰太狼的过程中，因为变形兔的开小差，喜羊羊与奔羊羊陷入了被灰太狼吃掉的危机中，但他们却机智勇敢地和灰太狼展开了一场别开生面的三千米障碍赛，最后两羊互相帮助，不但成功抢回失去的族长套装还让灰太狼吃尽了苦头。

奔羊羊终于与喜羊羊在田径场上相逢了，两羊实力不相上下。族长虽然拿回了制服和坐骑，但仍然没有金牌，只好让各队将之前发的金牌捐出来应急。懒羊羊趁机报大金牌数，被族长识破。这时，灰太狼找来了九大恶狼，准备对付羊族……

灰提出兵分三路捉羊，七大恶狼自分成两队到跳远、跳高设陷阱捉羊都失败，而狼夫妇结合前两次的经验在撑高跳下设陷阱捉到懒和小刀羊，但因喜发现有狼令赛场上大乱，灰众狼逃走，喜、奔、沸冒险到狼堡智救二羊。

恼羞成怒的众狼决定火烧草原，然而由于天公不作美，连点几次才成功，浓烟四处弥漫，正在比赛的羊羊们发现不对，在喜羊羊的带领下逃回羊村，面对危急，潇洒哥与黑大帅有义气地留了下来，与羊羊们共同想办法渡过难关。

灰太狼带领着七大恶狼围困羊村。村长安慰大家羊村储备了粮草，谁知喜羊羊告知已全被懒羊羊偷吃掉。懒羊羊心愧决定贡献出自己的零食，不想却让喜羊羊发现逃生之路。群狼发现众羊逃跑，连忙追赶将众羊赶落至峡谷下。

众羊被困峡谷底无法脱身，面对峡谷底的一小片草地，饥饿的羊露出了阴暗面，争抢起青草，虽然最后被各羊族领队阻止这场内部斗争，但面对粮食短缺的困境，喜还是决定联同一帮精壮的羊突破重围，外出寻找食物拯救羊族。

自族长带领一部分羊去找粮食外，村长等继续留守峡谷，看守的红太狼心生一计，用水灌进峡谷，欲把众羊淹死外，还想把众羊浮起，方便捉羊，结果事与愿违，大水使众羊找到了出口，眼看逃生在望，谁知出口却有巨石封住。

族长带领着喜羊羊等向世外草原进发，灰太狼押着潇洒哥在后穷追不舍。肥蕉偷偷放走潇洒哥，没想到正中灰太狼的圈套，灰太狼居然一路追到了世外草原的入口，最后还是被喜羊羊等甩掉了。经过一条黑暗的通道，世外草原出现在大家眼前。

割到青草的群羊继续发挥运动精神，以“铁人三项”的方式运草回青青草原。灰太狼在半路围、追、堵、截，全然无效。而正在挖出口的慢羊羊等羊已经陷入缺水缺粮的困境。眼看喜羊羊等就快到峡谷了，却被一双双贪婪的眼睛盯上了……

难民抢了粮食后就被灰太狼捉到，喜羊羊等不计前嫌将他们救出；与此同时峡谷内，机械羊在众羊的帮助下，开始有了微妙的变化，当慢与暖出外为刀羊找药被众狼围攻时，机械羊居然冲了出去，保护他们，并为了救暖羊羊牺牲了自己。

众狼向峡谷扔火把烤羊，众羊气，喜用妙计将其一网打尽并给其教训，众羊爬下峡谷不见暖众羊，走出通道误把暖众羊留下的线索当成遗物愤怒地去攻打狼堡不敌逃跑，不料却与暖众羊相遇，正欣喜时被一路狂追的众狼包围。

众羊在包包大人的相助下，几乎把红太狼等捉住，不料灰太狼带着狼族大军回，反过来包围众羊，绝望之际，机械羊队献身，组合成大机械羊，反攻狼族大军，但可惜中途陷入流沙几乎丧命，幸喜羊羊聪明，用火攻打败了狼群。

制止了灰太狼的阴谋后，羊运会终于可以继续进行最后的押轴比赛——马拉松，比赛的结果将决定新一届族长的归属，众羊羊都施展出浑身解数誓要赢得冠军，同时狡猾的灰太狼成功脱狱，并利用机器羊的同情心捣乱比赛，并赢得了马拉松的冠军，让新一届族长的归属扑朔迷离。

几经周折的马拉松比赛，灰太狼终登冠军宝座。正当他准备加冕时，迎接的羊族大队却直奔青青草原羊村，迎接慢羊羊。原来接任族长的是奖牌数最多羊村的村长。灰太狼恼羞成怒，再耍诡计中途掳走慢羊羊，自己扮作慢羊羊前族长山洞往接任。却不知族长守卫的不是肥美的羊群，而是那片肥沃而荒芜的世外草原。