Han pasado dos años desde que el tranquilo Peter Parker (Tobey Maguire) dejó a su amor de toda la vida, Mary Jane Watson (Kirsten Dunst) y decidió seguir el camino de la responsabilidad como Spider-Man. Peter debe afrontar nuevos desafíos mientras lucha contra "el don y la maldición" de sus poderes equilibrando sus identidades duales como el escurridizo superhéroe Spider-Man y la vida como estudiante universitario. Las relaciones con las personas que más aprecia están ahora en peligro de ser descubiertas con la aparición del poderoso villano de múltiples tentáculos Doctor Octopus, "Doc Ock" (Alfred Molina).

Su atracción de siempre por M.J. se hace incluso más fuerte mientras lucha contra el impulso de abandonar su vida secreta y declarar su amor. Mientras tanto, M.J. ha seguido con su vida. Se ha embarcado en su carrera de actriz y tiene un nuevo hombre en su vida. La relación de Peter con su mejor amigo Harry Osborn (James Franco) se ha ensombrecido por la creciente venganza de Harry contra Spider-Man, al que considera responsable de la muerte de su padre.

La vida de Peter se convierte en aún más complicada cuando ha de enfrentarse con su poderoso nuevo enemigo, el Dr. Otto Octavius (Molina) - "Doc Ock". Peter debe aprender ahora a aceptar su destino y a utilizar todos sus talentos como superhéroe para detener a este loco diabólico de ocho brazos.