ジェリーとベスが帰宅する寸前に時間を止めたリックは、モーティとサマーと共にパーティーの後片づけをしながら半年を過ごしていた。しかし再び時間を動かしてみると、ひょんなことから３人の存在する世界が時間軸から外れ、現実が２つに分離してしまう。なんとか元の世界に戻そうとあれこれ試みるリックだが、分離したもう１人のリックに殺されると思い込み、パニックを起こしてしまう。

異次元の世界のゲームセンターで遊ぶ金欲しさに、エイリアンの殺し屋マイケルに銃を売ったリック。取引現場に居合わせたモーティはリックに反発し、自らスペースカーを操縦して暗殺を阻止しようとする。モーティが救ったのは、プロメテウス星雲から来た“オナラ”というガス状の生き物だった。一方でジェリーは、あらゆる次元から来たジェリーたち専用のデイケアに預けられる。

冒険中にSOSを受信したリックが発信元の宇宙船を訪れると、住人の心と体が集団精神に操られていた。集団精神の正体は、リックの元恋人ユニティー。つかの間の再会を楽しむリックを横目に、サマーは住人たちの人格を取り返すべく立ち上がる。しかしユニティーから解放されて我に返った住人たちは、たちまち種族間戦争を始めてしまう。一方、リックの実験室に忍び込んだジェリーは、地下室でエイリアンの捕虜に遭遇する。

人間の脳にウソの記憶を植えつけるパラサイトが、地球侵略をもくろみ増殖を続けている。リックはスミス家を隔離して増殖を阻止しようとするが、ジェリーたちが過去の記憶をたどるたびにパラサイトは増えるばかり。たちまち記憶が混乱して、スミス家は互いへの不信感を募らせていく。パラサイトたちはさらなる増殖を企て、ジェリーたちをそそのかして隔離状態を解こうとするが…。

ある日地球に巨大ヘッドが現れ、異常気象を巻き起こしながらヒットソングを要求してきたため、急きょリックとモーティが即興演奏を披露する。しかし、図らずも地球ごとトランスポートされ、そのうえ２人は宇宙音楽祭への参加を強要されることになる。リックはアイスＴと作曲にいそしむが、嫌気が差したモーティは次元移動銃を奪って異次元の世界に逃げ出してしまう。

リックたちが異次元の世界で遊んだ帰りに、スペースカーに不具合が生じる。モーティがリックと共にバッテリー内部に入り込むと、そこにはリックが開発した宇宙があり、知的生命体が電気を作っていた。だが驚くことに、その宇宙にはリックと同等の天才科学者がおり、独自の“ミニ宇宙”を開発していたのだ。一方で異次元の世界に残されたサマーは、スペースカーの過剰な防衛システムの操作に試行錯誤していた。

サマーの学校に出没した吸血鬼を退治するために、10代の体を持つクローンに脳を移し替えたリック。学校で人気者の座を獲得したリックは、吸血鬼を葬ったあともクローンの体に留まろうとするが、彼の心の闇に気づいたサマーは元の体に戻るように説得する。一方、ベスとジェリーは銀河系一のカップルカウンセリングに参加するが、互いへのイメージから生み出された怪物が施設内で大暴れを始めてしまう。

誤って細菌入りアイスを食べたジェリーがエイリアンの病院に運び込まれた。ジェリーは無事に回復したものの、エイリアンの医師たちから驚きの相談を受ける。エイリアンの指導者シュリンプリー・ピブルスが危篤に陥っており、ジェリーのペニスを心臓代わりに移植すれば助かるというのだ。迷った揚げ句に同意するジェリーだったが、偶然シュリンプリー・ピブルスの秘密を盗み見てしまい、なんとか手術を免れようと試みる。

リックとモーティが偶然立ち寄ったのは、１年にひと晩だけ全ての犯罪が合法になる“パージ祭り”の日を迎えた惑星だった。日暮れと同時に激しい殺し合いが始まるなか、逃げ惑う少女アースリシャを見つけたモーティは、リックと共に祭りの中に飛び込む。無事にアースリシャを救い出すが、あろうことかスペースカーを奪われたうえ、リックが撃たれてしまう。取り残された２人の運命はいかに？

スミス家のもとにバードマンとタミーから結婚式の招待状が届く。しかたなく一家で参列すると、結婚式には銀河連邦から指名手配中の者が数多く招待されていた。しかし披露宴の最中にタミーの正体が銀河連邦のスパイであることが発覚し、政府と反逆軍の銃撃戦が始まってしまう。命からがら逃げ出したスミス家だが、リックが指名手配されているかぎり地球の家には戻れない。一家は、新たな星を探す旅を余儀なくされる。