Dalam hutan berdekatan Rio de Janeiro, seekor anak Spix's Macaw yang belum dapat terbang dan pelbagai burung lain ditangkap penyeludup dan dibawa ke Moose Lake, Minnesota. Kotak yang mengandungi burung macaw itu terjatuh ke tepi jalan lalu dijumpai seorang anak perempuan bernama Linda (Leslie Mann), yang memberi nama "Blu" kepada burung itu. Lima belas tahun kemudian, Linda menetap dalam sebuah kedai buku bersama Blu (Jesse Eisenberg). Seorang pakar burung (ornithologist), Túlio (Rodrigo Santoro), memberitahu Linda bahawa Blu adalah burung jantan terakhir spesiesnya, dan dia perlu bersenyawa dengan seekor burung betina untuk mengekalkan spesies.

Linda membawa Blu ke Brazil, dimana Blu bertemu dengan macaw betina Jewel (Anne Hathaway) yang menyebabkan Blu tertarik kepadanya, tetapi Jewel hanya mempedulikan fikiran melepaskan diri. Pusat pelindungan diserbu penyeludup, yang diberi laluan masuk oleh burung Sulphur-crested Cockatoo ketua penyeludup, Nigel (Jemaine Clement), yang berlakon sebagai seekor burung sakit. Antara mereka ialah Fernando (Jake T. Austin), seorang anak yatim miskin yang membantu penyeludup supaya dapat mencari makan. Blu dan Jewel ditangkap dan Nigel memberitahu bahawa dulu dia adalah seekor burung pelakon dalam program televisyen, tetapi digantikan seekor parakeet. Disebabkan rasa benci, Nigel menbantu penyeludup menangkap burung-burung eksotik. Selepas terbang pergi, Blu dan Jewel melepaskan diri. Sambil cabut, Nigel mengejar mereka melalui bandaraya Rio, lalu Blu and Jewel tersesat dalam hutan.

Mereka berjumpa dengan sebuah keluarga toucan, yang bapanya, Rafael (George Lopez), menawar untuk membawa mereka berjumpa kawannya Luiz untuk mengeluarkan rantai. Rafael cuba mengajarkan Blu cara terbang, tetapi Blu gagal. Kumpulan juga berjumpa burung Red-crested Cardinal bernama Pedro (Will.i.am) dan kawannya burung canary Nico (Jamie Foxx). Sementara itu, Nigel mendapat bantuan marmoset pencuri dan raja mereka Mauro (Brian Baumgartner), untuk mencari Blu dan Jewel. Linda dan Tulio juga berusaha mencari Blu, dengan bantuan Fernando yang telah bertaubat. Pedro dan Nico membawa Blu dan Jewel ke sebuah kelab samba burung, dimana Blu mula menari, culminating in a duet bersama Jewel. They are attacked by the marmosets, tetapi kawan burung mereka, termasuk seekor Roseate Spoonbill yang ditemui dalam kelab samba bernama Kipo (Bernardo de Paula) melindungi mereka supaya geng lima burung dapat melarikan diri.

Fernando membawa Linda dan Tulio ke tempat sembunyi penyeludup, dimana mereka mengetahui rancangan penyeludup untuk menggunakan Carnivale sebagai penutup untuk mendapat balik Blu dan Jewel dan melarikan diri. Kumpulan bertemu dengan seekor anjing bulldog bernama Luiz (Tracy Morgan) yang tidak sengaja menggunakan air liurnya untuk melepaskan Blu dan Jewel dari rantai. Jewel sangat gembira tetapi Blu muram sebab masih tidak dapat terbang lalu berpisahlah mereka. Malangnya, Jewel ditangkap Nigel. Apabila Pedro dan Nico memberitahu Blu akan penangkapan Jewel, dia memilih untuk memulakan operasi menyelamat. Linda dan Tulio menyelinap masuk ke Carnivale sebagai penari, tetapi Blu, Rafael, Nico, dan Pedro ditangkap Nigel. Linda dan Tulio mengejar penyeludup, tetapi terlambat menghentikan mereka daripada berlepas dalam kapal terbang mereka. Semasa penerbangan, Blu breaks out of his cage, and they flee except for Jewel, who knows Blu is still scared of flying. Nigel mencederakan sayap Jewel dengan parah, tetapi Blu mampu blasts Nigel out of the plane by attaching a fire extinguisher to his leg, menyebabkannya terkena propeller kapal terbang.

Jewel ditolak keluar kapal terbang oleh sebuah sangkar, lalu Blu mengikutnya, much to her surprise. Setelah dicium Jewel, Blu is overcome by the rhythm of his heart, lalu terbang untuk menyelamatkan mereka berdua. Mereka pulang ke Linda dan Tulio, yang cuba mengubati sayap cedera Jewel. Jewel is reluctant at first, tetapi Blu memujuknya mengharapkan Tulio.

Pada masa kemudian, Linda dan Tulio telah membentuk "Blu Bird Sanctuary", sebahagian hutan Rio yang dilindungi daripada penyeludup. Blu dan Linda tetap dekat dalam hati, walaupun dia juga mempunyai hubungan dengan Tulio, dan sekarang bermastautin di Rio untuk membantu menguruskan Blu Bird Sanctuary bersama Fernando. Blu dan Jewel sekarang tinggal dalam hutan, dan adalah ibu bapa tiga ekor anak burung. Bagi Nigel, he survived hitting the propeller, tetapi badannya bertelanjang bulat tanpa bulu kecuali kepalanya. Mauro memalukan lalu mengambil gambar Nigel sementara para penyeludup dipenjarakan.