Os agentes-mirins de Hollywood estão de volta pela terceira vez e na terceira dimensão. Em Pequenos Espiões 3D, os irmãos Carmen (Alexa Vega) e Juni (Daryl Sabara) se aventuram no universo virtual do videogame. Presos num jogo de computador, os meninos precisam da ajuda dos pais: o veterano casal de espiões Gregorio e Ingrid Cortez (respectivamente interpretados por Antonio Banderas e Carla Gugino). Juntos, eles combatem o gênio da realidade virtual Toymaker (papel do musculoso Sylvester Stallone), criador do jogo que prendeu os garotos na rede e que visa conquistar

o mundo.