オーシャン一味の現在
数年前、ラスベガスのカジノオーナーであるテリー・ベネディクト（アンディ・ガルシア）から大量のお金を奪ったダニー・オーシャン（ジョージ・クルーニー）とその仲間たちは、今やそれぞれ異なる生活を送っています。オーシャンは元妻のテス（ジュリア・ロバーツ）を取り戻し、安穏とした暮らしを楽しんでいます。彼の相棒ラスティ・ライアン（ブラッド・ピット）はハリウッドでホテル経営に専念し、他の仲間たちもそれぞれの新しい生活に移行していました。
ベネディクトの復讐
しかし、テリー・ベネディクトはオーシャンたちに対する復讐心を抱いており、彼らのもとを次々と訪問します。ベネディクトは、オーシャンたちが盗んだ総額1億6000万ドルに利子を加え、2週間以内に全額を返済するよう脅迫してきます。もし返済がなければ、オーシャン一味の命が危険にさらされると宣告されます。残念ながら、オーシャンたちは既に盗んだ金を使い果たしており、返済の資金を用意する術がありません。
ヨーロッパへの進出
アメリカで大きな仕事をするのが難しいと感じたダニー・オーシャン（ジョージ・クルーニー）は、再び全米各地に散らばっていた仲間たちを集め、今度はヨーロッパに目を向けました。彼らはヨーロッパで新たな計画を立て、ターゲットに定めた物を狙いますが、現地で待っていたのは予想外の困難でした。オーシャンたちが狙っていた目標は、既に何者かによって盗まれており、現場には必ず謎の黒い狐の置物が残されていました。
ナイト・フォックスの登場
困り果てたオーシャンたちは、かつてヨーロッパで名を馳せた伝説の大泥棒ギャスパー・ルマーク（アルバート・フィニー）を訪ねて助言を求めます。ルマークによると、一連の盗みはルマークの元弟子である「ナイト・フォックス」の仕業である可能性があると指摘されます。しかし、ナイト・フォックスの正体は、大富豪の貴族フランソワ・トゥルアー（ヴァンサン・カッセル）であることが判明します。
フランソワ・トゥルアーの挑戦
フランソワ・トゥルアー（ヴァンサン・カッセル）は、金銭的な問題を一切抱えていない大富豪で、スリルと達成感を追い求めるために窃盗を繰り返していました。オーシャンたちがアメリカで成功を収めたことを知り、さらに刺激を求めていたトゥルアーは、テリー・ベネディクト（アンディ・ガルシア）に接触し、オーシャンたちの情報を売り飛ばしていました。
トゥルアーは遂にオーシャンたちに接触し、盗みの勝負を持ちかけます。彼の提案は、ローマの美術館で展示される「ファベルジェの卵」を盗み出すというものでした。もしオーシャンたちがこの挑戦に勝てば、ベネディクトへの返済を立て替えてくれると言うのです。オーシャンはこの挑戦を受ける決意をしますが、その矢先にユーロポールの敏腕捜査官イザベル・ラヒリ（キャサリン・ゼタ＝ジョーンズ）が現れ、オーシャンは逮捕されてしまいます。
最後の勝負とオーシャンの策略
ダニー・オーシャン（ジョージ・クルーニー）を欠いたオーシャン一味は、ライナス（マット・デイモン）が考案した奇策を実行に移すことに決めました。計画は、オーシャンの妻テス（ジュリア・ロバーツ）が本物のジュリア・ロバーツに非常に似ていることを利用し、テスをジュリア・ロバーツに扮装させて「ファベルジェの卵」を盗み出すというものでした。しかし、この作戦は失敗に終わり、一味全員が逮捕されてしまいます。
その頃、フランソワ・トゥルアー（ヴァンサン・カッセル）はファベルジェの卵を盗み出し、勝負に勝ったと思われました。しかし、逮捕されていたはずのオーシャンが突然姿を現します。実は、ファベルジェの卵はオーシャンが既に盗み出しており、フランソワが盗んだのは偽物だったのです。オーシャンが逮捕されたのもフランソワを欺くための策略であり、この勝負はオーシャンの勝利に終わりました。
逮捕からの脱出と返済の目途
さらに、逮捕された仲間たちはライナスの母（チェリー・ジョーンズ）がFBI捜査官に扮装して脱出させており、無事にベネディクトへの返済の目途が立ったオーシャン一味は安心して胸をなで下ろしました。