Notte al museo - Il segreto del faraone

Il film inizia nel momento in cui viene ritrovata la tavola di Ahkmenrah (Rami Malek) durante una spedizione egizia nel 1938. Il ritrovamento è del tutto fortuito e merito di "C.J.", il figlio del capo spedizione.

Ai giorni nostri, Larry Daley continua a lavorare al Museo di storia naturale di New York, ma è tenuto in gran conto dal direttore, tanto da organizzare un'apertura notturna, con le attrazioni vive, in occasione di un enorme restauro del museo. Suo figlio Nick è cresciuto, ora è un adolescente con velleità da DJ, che non intende proseguire gli studi al college.

La tavola di Ahkmenrah, tuttavia, sta iniziando a corrodersi in modo strano, e questo fa comportare in modo irrazionale i personaggi durante la presentazione, mandandola a monte. Larry scopre che la spedizione che ritrovò la tavola era guidata dal dottor Fredericks, e capisce che il figlio "C.J." è Cecil, uno dei tre guardiani che ha sostituito: costui, che non serba alcun rancore per averlo mandato in prigione, gli narra della paura degli autoctoni nel portar via la tavola magica. Ahkmenrah spiega a Larry che suo padre potrebbe sapere come risolvere il problema, ma è conservato al British Museum di Londra. Larry convince il direttore a spedire Ahkmenrah e la tavola a Londra, tentando di convincerlo del potere dell'oggetto.

A Londra, Larry, arrivato assieme al figlio Nick, conosce Tilly (Rebel Wilson), guardiana del museo annoiata dal suo lavoro. Una volta entrati, Larry scopre che Ahkmenrah si è portato dietro Roosevelt, Sacajawea (Mizuo Peck), la scimmia Dexter, Attila (Patrick Gallagher), Ottavio (Steve Coogan), Jedediah (Owen Wilson) e Lè, un nuovo neanderthaliano terribilmente somigliante a Larry e che tenta di imitarlo in tutto (anche il nome: Lè è la scopiazzatura autoassegnatasi del nome Larry). Lè, fortunatamente, viene lasciato a sorvegliare fintamente una porta.

Cercando l'ala egizia, il gruppo si scontra con lo scheletro di un triceratopo, agilmente sconfitto da un cavaliere in armatura: è Lancillotto (Dan Stevens) . Tutte le opere del British Museum si sono risvegliate per la prima volta, quindi non hanno la coscienza di essere effigi o statue di cera.

Il gruppo perde Jedediah e Ottavio, che finiscono in una rappresentazione di Pompei, con tanto di eruzione vulcanica, ma vengono salvati da Dexter, mandato alla loro ricerca, mentre intanto Lancillotto tenta di convincere Nick a seguire i suoi sogni. Dopo essersi tutti assicurati che Jedediah e Ottavio sono salvi, Lancillotto saluta il gruppo.

Finalmente Larry e gli altri raggiungono l'ala egizia, dove Merenkahre e Shepseheret, genitori di Ahkmenrah e Kahmunrah, raccontano la storia della tavola: fu forgiata convogliando i poteri di Khonsu, dio della luna, ed è in grado di riportare in vita le persone: tuttavia essa funziona finché è esposta alla luce lunare ma, essendo chiusa in una teca da troppo tempo, il suo potere sta per svanire. La soluzione è riesporla alla luna, ma si frappone Lancillotto, convinto di essere reale e non una statua, e che la tavola sia il Sacro Graal: intende rubarla per portarla a Camelot. Il cavaliere scappa dal museo, mentre Tilly, insospettita dalla presenza di Lè, blocca anche Larry rinchiudendoli nella cucina dei custodi. Lè però apre la porta con una testata, mentre Nick e Attila bloccano Tilly in guardiola; e il gruppo si raduna, anche se le statue viventi iniziano a diventare sempre più rigide. Lè viene incaricato di bloccare Tilly in guardiola, innamorandosene.

Lancillotto scappa per Londra a cavallo, spargendo la magia della tavola e animando le statue, e raggiunge una rappresentazione del musical Camelot, irrompendo sul palcoscenico: qui Hugh Jackman (Fabrizio Pucci) e Alice Eve (Myriam Catania) gli dicono che nulla è reale (intendendo la rappresentazione teatrale) e Lancillotto va su tutte le furie, scappando irato. Il gruppo lo raggiunge ma i personaggi stanno per morire, Larry spiega a Lancillotto la realtà sulla tavola. Quando anche Dexter sta per morire, il cavaliere comprende che Larry non desiderava la tavola, ma era spinto dal più nobile intento di salvare gli amici. La tavola viene messa a posto ed esposta alla luce lunare, e tutti rinvengono.

Il gruppo torna al museo e viene deciso di lasciare Ahkmenrah lì, coi suoi genitori, assieme alla tavola. Recuperato Lè, Larry annuncia a Tilly che dalla notte successiva il suo lavoro sarà molto più bello. Il gruppo torna a New York e dopo una serie di addii, i personaggi si tramutano per sempre in statue.

Larry capisce che è importante lasciare che Nick, ormai non più un bambino, faccia le sue scelte.

Tre anni dopo, una mostra itinerante britannica porta Tilly a New York assieme ai reperti inglesi: la donna incontra il direttore, che spiega che Larry ha ripreso a studiare, si è laureato e ora insegna. Riattivata la tavola, finalmente il direttore si convince dei suoi poteri magici e tutti i reperti festeggiano assieme mentre Larry osserva la scena da lontano.