在故事开始时，凯和杰正在调查一名神秘外星罪犯鲍里斯（Boris the Animal），他成功越狱并计划回到过去*死凯，为了阻止鲍里斯的计划，凯不得不采取极端措施，通过时光旅行回到1969年。

杰随后发现凯消失了，甚至连他的存在都似乎被人为地抹去了，迷茫的杰得到消息，只有通过一台古老的时间旅行设备才能找回凯，他找到了黑衣人总部的老技师奈克斯（Agent O），后者帮助他修复时间旅行设备。

穿越时空后，杰来到了1969年的纽约，并找到了年轻的凯（Young K），年轻的凯并不相信杰是一名黑衣人特工，这使得任务变得更加困难，为了阻止鲍里斯的计划，并让年轻的凯相信他，杰与年轻凯一起展开了一系列冒险和战斗。

他们与一位外星女子格里芬（Griffin）相遇，她拥有预知未来的能力，格里芬告诉他们，如果凯在过去的时间线中被*害，未来将会被一群致命的外星生物征服，杰的任务不仅是阻止鲍里斯的计划，还要确保年轻的凯在与鲍里斯的决战中幸存下来。

最终，杰、年轻的凯和格里芬联手击败了鲍里斯，拯救了未来，年轻的凯也逐渐相信了杰的身份，并与他一起回到了现代。

故事的结尾，凯与杰在望远镜旁边坐下，回忆着他们的过去，他们重新建立了默契，并承诺永远保护地球免受外星威胁，这个冒险的旅程让他们更加坚定了彼此之间的友谊和使命。

这一次，黑衣人面临着他们前所未有的挑战，一位来自未来的邪恶外星人威胁着代理人K的生命，这使得代理人J不得不进行一次危险的时光旅行，穿越回到1969年，以拯救他的朋友和阻止未来的灾难。

时光旅行成为整个故事的核心主题，它揭示了命运的复杂性和人类决策的重要性。通过这一主题，影片探讨了时间与命运的关系，并展示了人类的选择和行动如何塑造他们自己和整个世界的未来。

《黑衣人3》也着重描绘了人类情感的力量，在故事中，代理人J与年轻的代理人K相遇，他发现年轻的K并不是他所认识的那个冷漠和严肃的人。