Ingrid Cortez (Carla Gugino) bringt ihre Kinder ins Bett und Carmen (Alexa Vega) möchte eine Gute-Nacht-Geschichte hören. Die Mutter erzählte ihren Kindern die Geschichte von zwei Geheimagenten, die aufeinander angesetzt waren und den anderen nicht beseitigen konnten. Sie verliebten sich ineinander und heirateten bald darauf. Ihre Hochzeitsfeier wurde massiv gestört, sie mussten fliehen. Zusammen boten sie ein verführerisches Ziel für ihre Feinde. Helikopter rasten über die Hochzeitsgesellschaft hinweg und kaum hatten die beiden verliebten Agenten das Ja-Wort gesprochen, mussten sie mit Fallschirmen in Herzform über die Klippe springen und unten stand auch schon ein Boot für sie bereit. Sie tauchen unter und widmeten sich ihrer Familie. Als sie Kinder bekamen, wollten sie ihren Job an den Nagel hängen.

Die Geschichte gefällt den Kindern sehr und schließlich geht die Mutter hinaus. Was die Kinder nicht wissen ist, dass ihre Eltern die geheimnisvollen verliebten Geheimagenten sind, die sich zur Ruhe setzen wollten. Bei dem Plan ist es geblieben, sie sind nach wie vor aktiv, allerdings nehmen sie nur noch eine Beraterfunktion ein. Am nächsten Morgen schaut der kleine Juni (Daryl Sabara) seine Lieblingsserie um Fegan Floop und seine Fooglies, ein psychedelischer Teletubbieverschnitt. Außerhalb seiner Serie besitzt dieser Fegan Floop (Alan Cumming) eine große, künstliche Insel, mitten im Meer. Dort ist gerade ein Mann vom - wahrscheinlich amerikanischen - Militär, Mr. Lisp (Robert Patrick) investierte bisher eine Milliarde Dollar in die Entwicklungen von Fegan Floop und er ist sehr enttäuscht von den bisherigen Ergebnissen. Floop sollte für das Militär Kampfroboter entwerfen und produzieren. Die bisherigen Erfolge sind die Fooglies, die eigentlich mutierte Geheimagenten der OSS sind, derselben Organisation, der auch Gregorio und Ingrid Cortez angehören. Des weiteren hat Floop Super-Daumen entwickelt, übermenschengroße Roboter, deren Gliedmaße Daumen sind. Mr. Lisp setzt Floop ein Ultimatum, er will umgehend Erfolge sehen. Floop und sein Gehilfe Alexander Minion (Tony Shalhoub) zeigen ihm den letzten Entwicklungsstand ihrer Kampfroboter. Ein kleiner Junge kommt in den Raum gerannt. Es scheint Mr. Lisps Sohn zu sein. Doch es ist ein Zwergenroboter in Form eines Kindes. Es sollen die perfekten Spione werden, denn wer achtet schon auf Kinder? Sie sind die Spy Kids.

Im Hause der Familie Cortez herrscht schon bald Notstand, der Vater - Gregorio Cortez (Antonio Banderas) – will einen Auftrag annehmen, bei dem es um seine verschwundenen Kollegen geht. Doch seine Frau will ihn begleiten. Sie schafft es ihn zu überreden, dass sie wieder gemeinsam in Aktion treten sollten. Er lässt sich breitschlagen und schon sind sie mit ihrem Familienauto unterwegs, das sich in ein U-Boot verwandelt. Flugs sind sie auf Tauchstation. Sie kommen aber nicht weit, Fegan Floop macht Jagd auf sie und erwischt sie auch.

Die Eltern hatten es so eingerichtet, dass Onkel Felix (Cheech Marin) auf die Kinder aufpasst. Felix ist ebenfalls ein Agent und sollte die Familie über all die Jahre beschützen. Er passt auf die Kinder auf und schon am nächsten Morgen blinkt Red Alert im Wecker und leuchtet von den Fernsehern und Monitoren auf Onkel Felix herab, der auf der Couch schläft. Super-Daumen überfallen sie und Felix Gumm muss mit ihnen kämpfen, damit die Kinder fliehen können. Sie starten mit einem Amphibienfahrzeug durch und die Verfolgungsjagd die sie sich mit den Super-Daumen liefern ist wirklich atemberaubend. Ihr Ziel ist das sichere Haus. Sie kommen nach einigen Stunden an und das Haus verwehrt ihnen den Zutritt und verlangt, dass sie ihre Namen nennen. Das Mädchen nennt ihren Namen Carmen, doch das Haus sagt: „Ihren vollen Namen.“ Ihr Name ist das Passwort: Carmen Elizabeth Juanita Echo Sky Brava Cortez. (Juni heißt in Wirklichkeit Juni Rocky Razor Rabble Cortez) Sie schauen sich im Haus um und finden so tolle Dinge wie den Rehydrator, der aus kleinen, unappetitlichen, eingeschweißten Essensrationen Cheeseburger mit Pommes und Ketchup macht (Es scheint sich um ein McDonalds-Menü zu handeln). Doch Juni hat keinen Hunger, er hat Angst um seine Eltern, dass sie belogen wurden stört die Kinder nicht weiter.

Gregorio und Ingrid sind in Floops verrücktem Schloss gefangen und schaffen es sich zu befreien, mit einem Laser in Ingrids Ring. Sie diskutieren ob ihre Kinder in Gefahr wären. Ingrid ist der Meinung, dass sie es schaffen, während Gregorio das Gegenteil behauptet, da eines der beiden noch Windeln trägt. Es folgen immer wieder auflockernde Slapstickeinlagen. So etwa, als sie fliehen wollen, der Boden unter ihnen löst sich in gigantischen Puzzleteilen auf, die ins Meer stürzen, Gregorio muss Anlauf holen um über den Abgrund hinwegzuspringen. Er schafft es nicht und landet bäuchlings auf einem Glasboden. In der Zwischenzeit kommt Mrs. Gradenko (Teri Hatcher) zum geheimen Haus. Die Kinder erfahren, warum sie gejagt werden. Es geht um eine Erfindung ihres Vaters. "Das dritte Gehirn" ist ein kleiner Computer, der einen Roboter superintelligent machen sollte. Floop benötigt das Gehirn für seine Armee von Spy Kids. Mrs. Gradenko fragt die Kinder, wo das Gehirn ist, doch die Kinder wissen es nicht. Gradenko spielt falsch, schon wieder sind ihnen die Super-Daumen auf den Fersen. Juni findes ausversehen das "dritte Gehirn". Es folgt eine irrwitzige Verfolgungsjagd mit Jetpacks. Die Kinder landen in einem Supermarkt, sie verstecken sich und kleiden sich neu ein - mit cooleren Outfits - sie sind ja jetzt Geheimagenten mit der Mission ihre Eltern zu retten.

Fegan Floop sucht nach der letzten Komponente, die seiner Sendung zur Perfektion helfen würde, er will seine Sendung nur auf den ersten Platz bringen. Sein Gehilfe Alexander Minion verfolgt ein anderes Ziel, er will mit der Roboterarmee der Spy Kids die Welt beherrschen. Jetzt schickt er Carmen- und Juni-Androiden um den echten Kindern das ominöse Gehirn wegzunehmen. Eigentlich hatte das Entwicklerteam des Gehirns den Befehl erhalten, es zu zerstören, man hatte befunden, dass es zu gefährlich sei. Doch Gregorio hat es behalten.

Die Kinder wenden sich, nach dem Kampf mit ihren Roboterzwillingen auf einem Spielplatz, bei dem sie das "dritte Gehirn" abgenommen bekommen haben an Isidoro Machete Cortez (Danny Trejo), ihren richtigen Onkel, den Bruder ihres Vaters. In Floops Geheimquartier übernimmt Minion die Führung, er besitzt nun das dritte Gehirn und benötigt Fegan Floop nun nicht mehr. Er sperrt den Moderator der beliebten Kindersendung in den Virtuellen Raum, in dem die Sendung produziert wird. Mr. Lisp ist auf der Anreise, da er Resultate sehen will und wird von Minion empfangen.

Machete will den Kindern nicht helfen, er entwickelt die fantastische Agentenausrüstung für beide Seiten und steht in Konflikt mit seinem Bruder. Nachts bedienen sich die Kinder aus Machetes Labor und fliegen mit einem kleinen Flugzeug zu Floops Insel. Dort läuft die Produktion der Gehirne auf Hochtouren. Im Flugzeug kommt es zum Streit, da Carmen wie so oft ihren Bruder fertigmacht. Er rächt sich für all die Jahre der Beleidigung mit Windeltante. Es war ein wohlgehütetes Geheimnis zwischen Carmen und ihren Eltern, dass sie noch Windeln benötigt, doch Juni weiß es schon lange. Sie gerät in Rage und tritt ihn gegen die Steuerung. Die Kinder verlieren die Kontrolle über das Flugzeug und müssen abspringen. Sie tauchen, geraten vom Meer ins Schloss und setzen die Wärter – Super-Daumen – mit Elektroshock-Kaugummis und Elektroshock-Seifenblasen außer Gefecht. Die Kinder wollen nun ins Verlies gelangen, wo ihre Eltern ausharren. Ihr Vater ist schon einer der Fooglies geworden, er wurde zu einer kinderhaften Zeichnung von Juni mutiert. Ihre Mutter ist allerdings noch in Ordnung und so befreien sie sie. Zusammen mit Fegan Floop schaffen sie es ihren Vater wieder zurück zu verwandeln und Alexander Minion zu überwältigen. Sie versuchen ihr in einen Fooglie zu verwandeln. Doch Mrs. Gradenko kann diesen Vorgang abbrechen, sodass er nur zum Teil mutiert ist. Juni und Carmen müssen wieder gegen die Roboter kämpfen, doch diesmal sind ihre Roboterklone in einer neuen Version, viel stärker und klüger.

Die Familie Cortez stoßen auf Minion und Mr. Lisp und Minion will seine neuen schlauen Roboter an der Falilie Demonstrieren. Die Familie Cortez sieht sich einer 500 köpfigen Spy-Kids-Armee gegenübergestellt. Der Vater teilt jedem Familienmitglied 100 Spy-Kids zu. Juni bemerkt, dass sie einer zu wenig sind. In diesem Moment stößt Onkel Isidoro, genannt Machete doch noch zu ihnen. Doch es kommt nicht zum Kampf, da es Floop schafft die Spy-Kids umzuprogrammieren.

Zuhause ist die ganze Familie beim Frühstück zusammen, auch Machete ist bei ihnen. Der kleine Juni, der inzwischen keine Angst mehr hat und sich mit seiner Schwester gut versteht, sieht wieder fern. Fegan Floop musste seine Sendung ein wenig überarbeiten. Er hat nun die beiden Roboterklone der Cortez-Kinder in sein Programm aufgenommen und es gibt nur noch einen Fooglie - Minion. In den Nachrichten sieht man, wie die Superkinder, die ehemaligen Spy Kids, gute Taten vollbringen. Das Programm wechselt und Devlin (George Clooney), der OSS-Chef hat einen neuen Auftrag - für die Kinder. Doch ihm wird klargemacht, dass man die Spion-Familie nur noch komplett buchen kann. Carmen sagt: „Spionage ist doch leicht. Eine Familie zusammen zu halten, das ist schwer und für diese Mission ist es Wert zu kämpfen.“