Um flashback de um evento ocorrido na cidade humana de Bree mostra Gandalf, o Cinzento (Ian McKellen) convencendo Thorin Escudo de Carvalho (Richard Armitage) a ir atrás da Pedra Arken, que poderá fazer de Thorin o rei de Erebor. Gandalf menciona que ele precisa recrutar alguém ágil e sorrateiro – Bilbo Bolseiro (Martin Freeman) – para roubar a Pedra Arken da Montanha Solitária, que é guardada pelo dragão Smaug (Benedict Cumberbatch). Doze meses depois, imediatamente após o término do primeiro filme, Bilbo, Gandalf, Thorin e o grupo de anões são caçados por orcs através de Carrock, onde eles encontram o troca-pele Beorn (Mikael Persbrandt) em sua forma de urso. Gandalf leva o grupo a procurar refúgio numa casa próxima que parece ser o lugar onde vive Beorn, quando em sua forma humana. Após dizer que odeia anões, mas que odeia orcs mais ainda, Beorn empresta seus cavalos ao grupo para que eles escapem.
Gandalf separa-se do grupo antes destes entrarem na Floresta das Trevas, pedindo a eles que sigam pela trilha e o esperem antes de adentrar a Montanha Solitária. Após perderem a trilha na floresta, os anões são capturados por aranhas gigantes. Bilbo, com a ajuda d'O Anel, consegue livrá-los das teias das aranhas. Enquanto lutam contra as aranhas, os anões são capturados pelos elfos da floresta. Tauriel (Evangeline Lilly), a elfa chefe da guarda, enamora-se por Kíli (Aidan Turner), sobrinho de Thorin. Como resultado, Legolas (Orlando Bloom), filho do rei dos elfos Thranduil (Lee Pace), fica com ciúmes.
Oculto pelo Anel, Bilbo rouba as chaves e ajuda os anões a escaparem do reino dos elfos dentro de barris vazios de vinho através de um rio. No caminho, são atacados por orcs que os espreitavam. Kíli, ao tentar abrir o portão, é atingido por uma flecha envenenada dos orcs. Rio abaixo, eles encontram Bard (Luke Evans), um arqueiro descendente do Lorde de Dale, que trabalha recolhendo barris. Juntando suas moedas, os anões pagam propina a Bard para que ele os atravesse pela Cidade-Lago, mas eles são capturados pelo mestre da cidade (Stephen Fry) enquanto tentam roubar armas. Em praça pública, Thorin faz um discurso e convence o povo da cidade que ele voltará com um tesouro, e o compartilhará com todos. O grupo recebe então o armamento e parte em direção à montanha.
Enquanto isso, o Thranduil descobre de um orc capturado que "Ele" retornou, e decide enclausurar o reino para protegê-lo. Mesmo assim, Tauriel sai para ajudar o ferido Kíli e Legolas a segue. Na montanha, Bilbo decifra o enigma da última luz do Dia de Durin – que é a luz da lua –, que ilumina a fechadura que abre a porta secreta da Montanha Solitária. Após entrarem, Thorin manda Bilbo entrar e roubar a Pedra Arken sozinho, mas ele acorda o dragão Smaug, que o descobre. Bilbo avista uma escama quebrada em Smaug, seu ponto fraco, confirmando a lenda. Enquanto isso, Gandalf, após mandar Radagast, o Castanho (Sylvester McCoy) enviar uma mensagem à elfa Galadriel (Cate Blanchett), entra conscientemente na armadilha preparada em Dol Guldur pelos orcs, e trava uma luta contra o Necromante (Benedict Cumberbatch) – de fato, Sauron –, que acaba vencendo e aprisionando Gandalf.
Os dois elfos chegam na hora em que os orcs atacam a Cidade-Lago, e se separam. Tauriel fica para curar o ferido Kíli, e Legolas persegue os orcs, enraivecido. Pressentindo que algo está para acontecer, Bard tenta colocar a última lança negra – que pode ferir Smaug – na balestra da cidade, para que possa atingir o dragão em seu ponto fraco, mas é preso pelo mestre da cidade antes. Na montanha, os anões resolvem entrar e salvam Bilbo. Enganando Smaug, os anões fazem com que ele entre na forja e a acenda cuspindo fogo, e depois tentam matá-lo afogando-o em ouro derretido. Smaug, entretanto, sobrevive e sai voando pela montanha, sacudindo o ouro derretido batendo suas grandes asas. Bilbo assiste em pânico Smaug voar em direção à Cidade-Lago prometendo vingar-se com fogo, destruição e morte.
