遠い昔から人類の友達だったイヌとネコだが、ライバルである彼らは人間の知らないところで、密かに戦いを繰り広げていた。人間の前ではかわいいペットを演じながら、最新のハイテク技術を駆使して地球規模の戦争に突入していた。そのころ、極悪非道なネコであるキティ・ガロア（声：ベット・ミドラー）は、ある陰謀を企てていた。それは、イヌと人間の絆を断ち切り、仲間のネコを陥れ、世界を我がものにしようという恐ろしいものだった。イヌとネコ、そして人類までもが前代未聞の脅威にさらされたとき、ついにイヌとネコが史上初めて手を組み、キティ・ガロアの暴走を止めるべく立ち上がった。さっそく、イヌとネコそれぞれのスパイ組織のトップによるオンライン緊急会議が開かれる。ネコ界からは実力・毛並み共にナンバー1のスーパー・エージェントであるキャサリン（クリスティナ・アップルゲイト）が、イヌ界からはボスドッグのルー（ニール・パトリック・ハリス）にスカウトされた元警察犬のディッグス（ジェームズ・マースデン）が、そしてなぜかハトのシェイマス（ジェームズ・マースデン）が加わり、ドリーム・チームが結成される。彼らはイヌとネコの仲間たちの助けを借り、キティ・ガロアに立ち向かう。