新的一年再度降临，红太狼又怀上了小宝宝，本该其乐融融的狼堡却因灰太狼的“抓羊无能”而开起了“声讨大会”。不甘失败的灰太狼为了重振自己在狼族中的地位，决定带上老婆孩子再战羊族。

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而此时的青青草原上空，一个巨型的“糖果飞船”从天而降，一位来自月球的不速之客——兔小弟缓步而出。令人咋舌的是，自称魔法师的兔小弟一见喜羊羊便立刻认定他是月球的救世主，更将一个封藏已久的身世之谜公之于众。原来，在很久很久以前，正是喜羊羊的父母一手将原本荒芜的月球打造成了一个五彩斑斓的糖果世界，可现在，野心勃勃的苦瓜大王企图将其变成“苦球”。为了保住父母的心血，喜羊羊带着羊羊战队登上了前往月球的飞船，却在阴差阳错之中将前来抓羊的灰太狼一家也捎上了这趟太空之旅。

月球之上，一切看似繁华，但实则暗藏汹涌，幸而喜羊羊机警过人，拆穿了苦瓜大王假扮月亮女王的阴谋，众人才得以虎口脱险，但却因为瓜兵的追赶而被冲得四分五散。

在巧克力钟乳石洞里，灰太狼一家遭瓜兵伏击，与妻儿失散的灰太狼冒险潜入苦瓜大王的城堡，却不幸被瓜兵擒住。为了救出妻儿，他不得不成为“无间道”。

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而另一边，喜羊羊与兔小弟在误打误撞中找到了父母留下的实验室，兔小弟试图用魔术开启月球甜蜜的源泉——甜甜树，却乌龙地将灰太狼带至此地。得知喜羊羊拥有对抗苦瓜大王的能力后，灰太狼决定弃暗投明，与喜羊羊联手，一同对抗苦瓜大王。

月食之日渐渐逼近，月球能量正在逐渐减弱，而就在苦瓜大王想要发起最后一击时，他竟然发现了全天下最苦的东西——灰太狼的眼泪。为了让灰太狼流泪，苦瓜大王可谓无所不用其极，月球的苦度急速攀升，而在这千钧一发之刻，喜羊羊终于找到了启动甜甜树的钥匙……