一方、ユーロポールの窃盗専門の敏腕捜査官イザベル・ラヒリは、事件の捜査を担当し、現場の状況から犯人一味がかつて自分を利用した元恋人ラスティであること、さらに自身が追っている怪盗「ナイト・フォックス」に彼らが出し抜かれたことを察知する。すぐにフランク・キャットンを捕まえると、さらにラスティに会いに行き、証拠がないため捕まえこそしないが、彼の携帯電話を盗み出し、ダニーらに対する警戒網を張る。しかし、ダニー達もまた、イザベルのセリフから妨害者の正体が、かつてヨーロッパで名を馳せた大泥棒ギャスパー・ルマークの弟子であるナイト・フォックスだと知る。

木曜日（あと6日）。警戒網からの脱出時のミスでイエンがブリュッセル（ベルギー）に行ってしまうなどのトラブルに見舞われる中、ダニー達は、とあるツテからナイト・フォックスの正体が、成功した青年実業家で貴族でもあるフランソワ・トゥルアーであると知る。さっそくダニー達は、その日の内に意趣返しとしてイタリア北部のコモ湖の湖畔にある彼の邸宅から絵画を数枚盗み出す。翌日（あと5日）、ダニーはトゥルアーと面会する。トゥルアーは三大カジノ強盗を成功させたダニーが「世界一の泥棒」と評され、それを師匠のルマークが否定せず、プライドを傷つけられたことから、本当の世界一を決めるために泥棒勝負がしたく、ベネディクトに情報を流したと話す。その上で、標的は今朝、パリの美術館よりローマの美術館に移送され、月曜日（リミットの2日前）から展示予定の「ファベルジェの卵」であり、もしダニーたちが勝てば、ベネディクトへの支払いはすべて自分が立て替えると約束し、ダニーは勝負を受ける。一方、イザベルもまた、盗んだラスティの携帯電話への着信情報などを踏まえて、彼らの狙いが「ファベルジェの卵」と知る。上司に緊急配備を依頼するが、過去の失敗があって指令書への署名を拒絶されてしまう（その後、署名を偽造して特別捜査網を張らせる）。

ローマに集まったダニーらは、卵の強奪計画を練る。美術館の夜間セキュリティは厳重すぎるため、昼間の展示を狙うこととし、ラスティの旧友の技術者ローマン・ネーゲルが製作した精巧な3Dホログラムとすり替える計画を立てる。一見、完璧な作戦に見えたが、ダニーとラスティは失敗を確信しており、さらにトゥルアーは自分の絵画を盗んだ実行犯であるリヴィングストン・デル、バージル・モロイ、そしてラスティが映った防犯カメラの映像をイザベルに渡していた。そして月曜日（残り2日）、美術館に集まったダニーらであったが、未だ手配書が作られておらず単独行動をしていたライナス・コールドウェル、バシャー・ター、ターク・モロイ以外は、全員が逮捕されてしまう。

逮捕を免れアジトに戻ってきたライナスら3人は明日1日の猶予しか無い中で、素人のテスをローマに呼び寄せると、妊娠中のジュリア・ロバーツに変装させ、3Dホログラムにすり替えるという奇策を立てる。期限当日、ローマにやってきたテスを説得し、ジュリアに見せかけるが、本物のブルース・ウィリスがいるなど計画が狂っていく。ソールが合流し咄嗟の機転で計画を修正して進めていくが、結局は破綻し、残ったメンバー全員も逮捕されてしまう。

その日の内に、ダニーらがいる拘置所にFBI捜査チームの一団がやってくる。リーダーの女性捜査官モリー・スターは、三大カジノ強盗の一件で、ダニーらの身柄をアメリカへ移送する手続きを取り、また、イザベルに対しては彼女の書類偽造がユーロポール長官に既に発覚していることを伝える。ダニーらを乗せ空港へ向かうFBIの車列の中、実はモリーの正体は、ライナスの母であり、彼らを助けるためにやってきたことが明らかとなる。結果、ダニーら一味はまんまと脱獄を果たす。また、自分の乗った車を追跡して空港まで来たイザベルに対し、ラスティは、彼女が書類偽造によってもはや警察にはいられないだろうと指摘し、死んだと思われている彼女の父が実は生きていることや、会わせたい人がいると言って、自分についてくるように言い、2人はプライベートジェットに乗る。

夕暮れ。コモ湖の邸宅に戻ってきたトゥルアーを、客としてやってきたダニーとテスが待ち構えていた。既に脱獄しているダニーの手腕を讃えつつも、トゥルアーは卵が搬入された土曜の内に、その類まれなる身体能力でセキュリティを突破し、偽物にすり替えていたことを明かした上で、自分の勝ちを認めるよう迫る。ところが、実はダニーはルマークと旧知の仲であり、残り6日（木曜日）の時点で、既にルマークと直接会って、彼から話を聞いていた。「ファベルジェの卵」が勝負の標的になることも予測されており、実はパリからローマに移送されている時点で、既にダニーらによって偽物にすり替えられていた（つまり、ダニーがトゥルアーと最初に会って勝負の取り決めをした時には既に卵を盗んでいた）。トゥルアーは強いショックを受けるも負けを認め、ベネディクトへの支払いを約束する。一方、シチリア島の海辺の寒村にて、ラスティはイザベルを、一人の初老の男と引き合わせる。彼こそ彼女が追っていたギャスパー・ルマーク本人であり、さらに亡き母から既に死んだと聞かされていた実父であった。父娘は互いに抱擁を交わす。

ベネディクトのオフィスにて、ルーベンは2億ドルの小切手をベネディクトに渡し、完全に約束は果たされたことを確認する。2人の背後には用務員に変装して既に潜入しているトゥルアーがいる中で、ルーベンは、ダニーらの報復を疑うベネディクトに対し、君のカジノが再び襲われてもそれはダニーではないと断言する。
登場人物とキャスト「オーシャンズ11#登場人物とキャスト」も参照
オーシャンとその仲間
ダニー・オーシャン（ジョージ・クルーニー）
主人公。前作でテスと縒りを戻して再婚し、コネチカット州イーストヘイブン（英語版）で幸せな生活を送っていた。足を洗う決意をしているが、昔のクセでつい泥棒的な思考に陥ってしまう。ベネディクトの直接の訪問を受け、再び仲間たちを招集する。
ラスティ・ライアン（ブラッド・ピット）
ダニーの右腕で、計画の直接的な実行役。カジノ強盗の分前を元手にロサンゼルスのウェスト・ハリウッドでホテル経営を始めるが、上手くいっていない。分け前は全額使ってしまった上に多額の負債も抱えている中でベネディクトの訪問を受け、目の前で愛車を爆破される。前作直後はフランクと共にヨーロッパで泥棒稼業をしており、その際に出会ったイザベルと恋人関係で彼女の捜査情報を利用していた。自身の犯行を彼女が捜査し、ミスで足が付いたことを事前に察知したため彼女の元を去るが、今でも未練がある。