カルメン（アレクサ・ヴェガ）とジュニ（ダリス・サバラ）のコルテス姉弟は、一見どこにでもいる普通の子供たち。だけど、彼らはただ者ではない。彼らの両親グレゴリオ（アントニオ・バンデラス）とイングリット（カーラ・グギノ）は、冷戦時代に暗躍した元・敏腕スパイ。そんなふたりが、敵同士でありながら禁断の恋に落ち、結婚。そうして生まれたのだった。秘密兵器＜第三の脳＞を狙う組織に両親を誘拐され、スパイの世界に足を踏み入れたふたり。クループ（アラン・カミング）の魔手から両親を救い彼の野望を砕いて以来、世界を2度も危機から救い、スパイ・キッズとして大活躍！！ しかし、秘密諜報員組織＜OSS＞への不信感を抱いたジュニは、組織から脱退。カルメンとも離れて、1人で探偵業を始めていた。そんな時、話題のバーチャル・ゲーム「ゲームオーバー」が発売される。だが「ゲームオーバー」は全世界の子供達を洗脳し、世界を支配しようと企む悪の天才プログラマー、トイメイカー（シルベスター・スタローン）が仕組んだ巨大な罠だった。その陰謀を察知した＜OSS＞は、トイメイカーの野望を阻止するべく、彼が構築したバーチャル・ゲーム世界に、優秀なスパイを送り込む。そんな時、突然ジュニに緊急呼び出しがかかる。OSSが「ゲームオーバー」の中に送り込んだスパイキッズが囚われの身となり、このままではトイメイカーの野望が達成されてしまうというのだ！ そのスパイキッズとは、他でもない姉のカルメンだった！ ジュニは、スパイキッズとして三度悪に挑む決意をする……。