Dans l'univers Lego, le sorcier Vitruvius tente de protéger une super-arme appelée "Kragle" contre le maléfique Lord Business. Il échoue, mais prophétise qu'une personne appelée "le Spécial" trouvera la Pièce de Résistance capable d'arrêter le Kragle.
Huit ans et demi plus tard, un simple ouvrier du bâtiment nommé Emmet Brickowski, de Bricksburg, une ville gérée comme une entreprise d'État sous l'égide de l'Octan Corporation, rencontre une femme nommée Wyldstyle qui cherche quelque chose après les heures de travail sur le site de construction d'Emmet. Lorsqu'il enquête, Emmet tombe dans un trou et trouve la Pièce de résistance. Contraint de la toucher, Emmet a des visions très nettes et s'évanouit. Il se réveille avec la Pièce de résistance attachée à son dos, sous la garde de Bad Cop, le lieutenant de Business. Là, Emmet apprend que Business a l'intention de geler le monde avec le Kragle, qui s'avère être un tube de Krazy Glue dont l'étiquette a été partiellement effacée.
Wyldstyle sauve Emmet et l'emmène rencontrer Vitruvius dans le Vieux Ouest, lui expliquant qu'ils sont des maîtres constructeurs, des gens capables de construire tout ce dont ils ont besoin sans manuel d'instructions. Elle lui explique en outre que la plupart d'entre eux sont incarcérés en raison de la désapprobation des entreprises à l'égard d'une créativité aussi anarchique. Bien que déçus de constater qu'Emmet ne fait preuve d'aucune créativité, Wyldstyle et Vitruvius sont convaincus de son potentiel lorsqu'il se souvient des visions d'une divinité humanoïde gargantuesque appelée "l'homme d'en haut". Pendant ce temps, Business, mécontent qu'Emmet se soit échappé, fait venir Bad Cop à son bureau et lui fait congeler ses propres parents afin de s'assurer qu'il reste fidèle à son plan. Bouleversé par le refus de Bad Cop, Business efface le visage du "Bon flic" de Bad Cop, qui lui servait de conscience.
Emmet, Wyldstyle et Vitruvius échappent aux forces de Bad Cop avec l'aide du petit ami de Wyldstyle, le super-héros Batman, et se rendent au pays du coucou des nuages, où habite la princesse Unikitty. Ils assistent à un conseil des Maîtres bâtisseurs restants, qui ne sont pas impressionnés par Emmet et refusent de se battre contre le Business. Les forces du Méchant Flic attaquent et capturent tous les Maîtres Constructeurs, à l'exception d'Emmet, Wyldstyle, Vitruvius, Batman, la Princesse Unikitty, et un "gars de l'espace des années 1980" nommé Benny.
Après avoir été secouru par un pirate nommé Barbe de métal, Emmet conçoit un plan d'équipe pour infiltrer le siège de Business afin de sauver les Maîtres constructeurs et de désarmer le Kragle. Pendant un moment de calme, Wyldstyle et Emmet se lient, et Wyldstyle révèle que son vrai nom est Lucy. Cependant, Emmet et ses alliés sont tous capturés et emprisonnés, et Vitruvius est tué avec une pièce de monnaie lancée par Lord Business. Avec ses dernières paroles, Vitruve révèle à Emmet qu'il a inventé la prophétie. Business jette la Pièce de Résistance au bord de l'univers, programme la prison pour électrocuter tous les Maîtres Constructeurs, et les laisse (ainsi que le Méchant Flic) mourir. Alors que le compte à rebours de l'exécution s'enclenche, le fantôme de Vitruve apparaît et dit à Emmet que ce n'est pas la prophétie, mais sa confiance en lui qui a fait de lui le Spécial. Attaché à la batterie du mécanisme d'exécution, Emmet se jette au bord de l'univers pour sauver ses amis, qui échappent à un danger supplémentaire grâce à l'aide d'un Bad Cop nouvellement réformé. Inspirée par le sacrifice d'Emmet, Lucy rassemble les Legos à travers l'univers pour qu'ils utilisent toute leur créativité afin de construire des machines et des armes pour combattre les forces du Business, les Maîtres Bâtisseurs menant la charge.
Emmet se retrouve en vie et dans le monde réel, où les événements de l'histoire se jouent dans l'imagination d'un garçon nommé Finn sur le plateau de Lego de son père. Son père - désormais connu sous le nom de "l'homme d'en haut" - reproche à son fils d'avoir ruiné le décor en créant des tas de jeux différents, et s'emploie à recoller ses créations "parfaites" à leurs formes normales. Réalisant le danger que courent ses amis, Emmet s'éloigne de la table et attire l'attention de Finn. Finn ramène Emmet et la Pièce de résistance sur le plateau où Emmet, qui possède désormais les pouvoirs d'un maître-bâtisseur en raison de sa confiance en lui, affronte Lord Business.
Pendant ce temps, le père de Finn est impressionné par les créations de son fils et réalise que Finn s'est inspiré de lui pour créer le méchant Lord Business. Par le biais d'un discours d'Emmet sur le Business, Finn dit à son père qu'il est spécial et qu'il a le pouvoir de tout changer. Le père de Finn se réconcilie avec son fils, ce qui se traduit par un changement d'avis de Lord Business et par la remise du Kragle avec la Pièce de résistance. Alors que Lucy devient la petite amie d'Emmet avec la bénédiction de Batman, Lord Business décolle ses victimes avec des esprits minéraux. Cependant, comme le père a permis à la jeune soeur de Finn de les rejoindre pour jouer avec ses jeux de Lego, les extraterrestres Duplo se téléportent et annoncent leurs plans pour détruire l'univers.
