La tecnología HD/3-D entra en escena cuando los jóvenes agentes Juni y Carmen Cortez emprenden la misión más emocionante de sus vidas: un viaje al interior de la realidad virtual de un videojuego en 3D que ha sido especialmente diseñado para acabar con ellos. Un videojuego en el que cobran vida los gráficos y criaturas más sorprendentes que puedan imaginarse. Los Spy Kids tendrán que plantar cara a unos niveles del juego cada vez más difíciles con el humor, los dispositivos especiales, la valentía, el espíritu familiar y sus rápidos reflejos como armas. Entre los muchos desafíos a los que deberán enfrentarse se incluyen, por ejemplo, una carrera contra los guerreros de la carretera o practicar surf sobre lava candente, todo para salvar al mundo de un villano sediento de poder: El Fabricante de Juguetes.

Un predicador y su hija Opal se trasladan a Naomi, un pueblo de Florida. Poco después de llegar, la solitaria niña encuentra en un supermercado a un perro huérfano, lo adopta y se hacen inseparables.

Cassandra Reilly (Judy Davis), una traductora americana que vive en Barcelona, descubre pronto que las apariencias pueden ser muy engañosas. La "femme-fatale" Frankie Stevens (Marcia Gay Harden), otra americana que reside en la misma ciudad, está convencida de que su marido ha desaparecido misteriosamente y confía en las discutibles dotes detectivescas de Cassandra para encontrarlo. Tan pronto como Cassandra intenta ayudar a desenmarañar el pasado secreto de Frankie se ve envuelta en una red de identidades erróneas, familias que se engañan y, para complicarlo todo, una trama de secuestro.