La tecnología HD/3-D entra en escena cuando los jóvenes agentes Juni (Daryl Sabara) y Carmen Cortez (Alexa Vega) 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 (Sylvester Stallone)