Een baby Spix’s ara, die niet in staat is om te vliegen en diverse andere vogels zijn gesmokkeld uit Rio de Janeiro naar Moose Lake, Minnesota. De doos met de ara valt op straat en wordt ontdekt door een meisje genaamd Linda (Leslie Mann), die hem “Blu” noemt. Vijftien jaar later, woont Linda in een boekwinkel met Blu (Jesse Eisenberg). Tulio (Rodrigo Santoro), een ornitholoog, ontdekt dat Blu het laatste mannetje van zijn soort is, en hij moet paren met een vrouwelijke Aria om deze soort te behouden.
Linda neemt Blu mee naar Rio. Eenmaal daar, ontmoet Blu Jewel (Anne Hathaway), een vrouwelijke Spix’s ara, die alleen geïnteresseerd is in ontsnappen. De shelter wordt overvallen door smokkelaars, die binnen gelaten zijn door hun Kaketoe, Nigel (Jemaine Clement), die zich voordeed als een ziekelijke vogel. Onder hen is de smokkelaar assistent Fernando (Jake T. Austin), een verarmde en verweesde jongen. Blu-en Jewel worden gevangen en Nigel legt uit dat hij vroeger mee deed met een televisie programma, maar vervangen werd door een parkiet. Uit haat helpt Nigel smokkelaars met het stelen van exotische vogels. Blu-en Jewel vluchten, maar verdwalen in de jungle.
Ze ontmoeten een familie van toekans, wiens vader Rafael (George Lopez), ze aanbied mee te nemen naar zijn bulldog vriend Luiz (Tracy Morgan) om te helpen met het verwijderen van de keten. Rafael probeert ook tevergeefs om Blu te leren vliegen. De groep komt een Red-crested Cardinal genaamd Pedro (Will.i.am) en zijn kanarie vriend Nico (Jamie Foxx) tegen. Ondertussen, Nigel werft een groep van stelende klauwaapjes onder leiding van hun koning Mauro (Brian Baumgartner), om Blu en Jewel te vinden. Linda en Tulio proberen ook om Blu te vinden, bijgestaan door de berouwvolle Fernando. Pedro en Nico nemen Blu-en Jewel mee naar een samba vogel club, waar Blu begint te dansen, eindigend in een duet met Jewel. Ze worden aangevallen door de klauwaapjes, maar hun vogel vrienden, waaronder een roze lepelaar die ze ontmoet hadden op de samba club weren ze lang genoeg af voor de vijf vogels om te kunnen ontsnappen.
