Carmen et Juni ne se doutent pas un instant de la véritable identité de leurs parents. Mais lorsque ces derniers sont enlevés, ils vont enfin savoir qu'ils sont les enfants de... véritables agents secrets ! Lancés à leur recherche, ils affronteront de terribles dangers pour finalement sauver leurs parents... et le monde !...
Carmen est retenue prisonnière dans le monde virtuel créé par le malfaisant Faiseur de Jouets. C'est à son frère Juni, le plus célèbre des Spy Kids, d'entrer dans ce jeu virtuel et, niveau par niveau, de réaliser de nouvelles performances. Car pour sauver sa soeur et l'avenir du monde, il doit gagner la partie, et il ne peut le faire que de l'intérieur.
Carmen et Juni ignorent que leurs parents sont des super agents secrets. Ils découvrent la vérité lorsque ces derniers sont capturés après l'attaque de leur maison. Partis à leur recherche, les voilà propulsés dans un univers d'espionnage délirant et fantastique, opposés à l'ambitieux et machiavélique Mister Floop...
Carmen et Juni sont devenus les jeunes espions les plus réputés du métier. Blindés de gadgets révolutionnaires, ils doivent se rendre sur une île inconnue peuplées de créatures fantastique et abritant une machine capable de détruire toute l'électronique de la planète. Pour corser le tout, 2 autres espions en herbe sont dans la course...
Rebecca et Cyril Wilson sont des jumeaux, fille et garçon du reporter Wilbur Wilson. Ce dernier est marié à Marissa Cortez, sans savoir qu'elle est un ancien agent de l'OSS (Organization of Super Spies). L'OSS est devenu l'agence d'espions n°1 depuis la fermeture de la division Spy Kids. Alors qu'un méchant Oni surnommé le « Timekeeper » menace la Terre, Marissa est rappelée par le chef de l'OSS. Cyril et Rebecca sont alors recrutés par l'agence et doivent faire équipe malgré leurs différents avec leur belle-mère. Ils seront aidées par Juni et Carmen Cortez, anciens agents Spy Kids...