ネビュラ、ドラックス、マンティスは通話でロケットが回復した喜びを分かち合うも、ハイ・エボリューショナリーに捕らえられる。ピーターらは3人の救出任務を実行し、ハイ・エボリューショナリー軍勢と対決する。クラグリンはノーウェアを携えてアレートを砲撃する。ハイ・エボリューショナリーは退却を望む部下から反乱を起こされるも彼らを殺す。マンティスらはアビリスクの力を借りて脱出し、ピーターらと再会する。ガーディアンズはすぐには撤退せず子供たちを救出することを選ぶ。コスモのテレキネシスによるトンネルでアレートとノーウェアを結び脱出させる。ロケットはアレートの中で投獄された動物たちを発見し、まもなくしてハイ・エボリューショナリーに襲われるも反撃する。そこに他のガーディアンズも駆けつけ加勢するが、ロケットは彼の命を余す。ガーディアンズは動物たちも救出しノーウェアに乗せる。脱出の最中ピーターは死にかけるが、グルートによって救われ心変わりしたアダムによって救われる。
その後、ピーターはロケットに船長の座を譲りガーディアンズと別れ、祖父・ジェイソンと再会するために地球へ向かう。マンティスはアビリスクと共に自分探しの旅に乗り出し、ガモーラはラヴェジャーズと再会する。ネビュラとドラックスは救出された子供たちを育てるためにノーウェアに残る。
ミッドクレジットシーンでは、ロケット、グルート、コスモ、クラグリン、アダム、救出された子供の一人であるファイラ、そしてアダムのペット・ブラープで構成される新しいガーディアンズ・オブ・ギャラクシーが新たな任務に取り組む。
登場人物・キャスト
ガーディアンズ・オブ・ギャラクシー
ピーター・クイル / スター・ロード
演 - クリス・プラット、日本語吹替 - 山寺宏一[1][2]地球で暮らしていた子供の頃、天界人である父エゴに依頼されたヨンドゥによって誘拐され、ラヴェジャーズに育てられた元泥棒にしてガーディアンズ・オブ・ギャラクシーのリーダー。『ソー:ラブ&サンダー』にて、ソーに励ましの言葉とアドバイスをして別れた後、ガーディアンズと共に新たな冒険へと旅立つ。ガモーラを失った喪失感からか酒に浸っており、メンバーにも呆れられているが、ロケットの生命の危機に際して再び立ち上がる。
ロケット
声 - ブラッドリー・クーパー、ショーン・ガン（モーションキャプチャー、若年期の声）、ノア・ラスキン（幼年期の声）、日本語吹替 - 加藤浩次[1][2]、???（幼年期）元賞金稼ぎ兼傭兵の、人の言葉を話せるアライグマ。ガーディアンズのメンバーで、武器と武術の達人でもある機械設計エンジニア。今作の実質的な主人公であり、彼の知能の高さの理由や、過去が明らかになる。監督のジェームズ・ガンは、ロケットの過去や行き先が他のガーディアンズのメンバーとどのように結びついて物語を展開するかを語っている。
グルート
声 - ヴィン・ディーゼル、日本語吹替 - 遠藤憲一[1][2]ガーディアンズのメンバーである樹木型ヒューマノイドにして、ロケットの相棒兼親友。話せる言葉は「俺はグルート」のみ。
ドラックス
演 - デイヴ・バウティスタ、日本語吹替 - 楠見尚己[1][2]ガーディアンズのメンバーであるパワーファイター。
マンティス
演 - ポム・クレメンティエフ、日本語吹替 - 秋元才加[1][2]触れた人の心を読んだり感情を操れる共感能力（エンパシー）を持っているガーディアンズのメンバーであり、クイルの異母妹。
ネビュラ
演 - カレン・ギラン、日本語吹替 - 森夏姫[1][2]義父のサノスによって殺し屋として育成・サイボーグ化されたガモーラの義妹。サノスとの最終決戦後にガーディアンズと共に旅立ち、現在ではメンバーの一員である。
クラグリン・オブフォンテリ
演 - ショーン・ガン、日本語吹替 - 土田大[1][2]かつてはヨンドゥ・ウドンタの側近だった元ラヴェジャーズのメンバー。彼の死後にヤカの矢を引き継ぎ、ガーディアンズと行動を共にする。
コスモ
声 - マリア・バカローヴァ、日本語吹替 - 悠木碧[1][2]ソ連によって宇宙に送られた、知性を持ったサイコキネシスの使い手の犬。演じたバカローヴァは、モーションキャプチャーも担当した。
ガモーラ
演 - ゾーイ・サルダナ、日本語吹替 - 朴?美[1][2]ガーディアンズのメンバー。サノスの義理の娘にしてネビュラの義姉。現代のガモーラは、ソウル・ストーンにささげる生贄としてサノスに殺された為、2014年のサノスと共に現代へとやってきた2014年当時のガモーラとして登場する。サノスとの最終決戦後に消息不明となるが、今作ではラヴェジャーズの新たなメンバーとして再登場。
オルゴコープとその関係者
ハイ・エボリューショナリー（英語版）
演 - チュクウディ・イウジ（英語版）、日本語吹替 - 中井和哉[3][2]今作のメインヴィラン。全ての生物を強制的に進化させ「特別な種族」にしようとする進化論を専門とする科学者で、彼の残虐な方法によりロケットなどが作られた。また、カウンター・アースの創造主でもあり、彼をモデルにした自由の女神像が建てられている。
ライラ（英語版）
声 - リンダ・カーデリーニ、日本語吹替 - 佐倉綾音[4][2]ロケットの友人のメスのカワウソ。今作では故人。ハイ・エボリューショナリーの実験によって言葉を話せる代わりに体の一部を機械にされている。