Dhoom 3 berlatar di Chicago, Amerika Serikat. Film India ini menceritakan tentang perampokan yang dilakukan oleh Sahir (Aamir Khan) di beberapa cabang Western Bank of Chicago.
Sahir adalah seorang pesulap dan bersama Aaliya (Katria Kaif), Ia adalah hiburan utama dari pertunjukan sirkus. Karena keahlian sebagai ahli ilusi dan juga ahli sirkus, Sahir selalu berhasil dalam aksi perampokannya.
Kepolisian setempat akhirnya memanggil Jay Dixit dan Ali sebagai bala bantuan. Jay sudah berencana menjebak Sahir ke dalam perangkap saat ia mencoba merampok bank. Namun, ternyata upaya Jay menangkap Sahir malah gagal dan berujung pencopotan Jay dari penyelidikan.
Tak putus asa, Jay malah menyelidikinya aksi perampokan Sahir sendiri tanpa bantuan kepolisian.Saat penyelidikan, ia menemukan beberapa rahasia tentang sang pelaku. Salah satunya adalah Sahir mempunyai seorang saudara kembar bernama Samar (diperankan oleh Aamir Khan juga) yang mempunyai gangguan mental.
Sama seperti Sahir, Samar juga bagian dalam sirkus dan sering membantu saudaranya dalam melakukan trik sulap. Tapi, keterlibatan Samar tak berhenti disitu, ia juga ternyata terlibat dalam semua perampokan yang dilakukan Sahir.
Apakah Jay Dixit akan berhasil menangkap Samar dan Sahir atau malah keduanya akan lagi-lagi lolos dari jeratan hukum?
