James McCullen (Christopher Eccleston) é o maior comerciante de armas do planeta. Ele está prestes a lançar sua nova arma, os nanomites, microscópicos robôs que podem destruir tudo o que encontram pela frente, independente do material que seja feito, e que podem ser desligados no momento que for desejado. McCullen envia quatro ogivas de nanomites para serem entregues por uma força especial do exército norte-americano, na qual estão presentes Duke (Channing Tatum) e Ripcord (Marlon Wayans). Porém o comboio é atacado por forças desconhecidas, comandadas pela Baronesa (Sienna Miller). O ataque é impedido pelos G.I. Joe, que levam as armas para o quartel-general do grupo internacional de agentes de elite, aonde são aguardados por seu líder, o general Hawk (Dennis Quaid).
