For nå har småspionene og regissør Robert Rodriguz gjort alt klart for å bringe familieunderholdning til en ny, revolusjonerende dimensjon: Den tredje dimensjon. Filmskaperene tar i bruk den aller nyeste teknologien når de smelter sammen tre-dimensjonale bilder og filmens handling. For de unge spionenen og agentene Juni og Carmen Cortez blir raskt satt på deres mest utfordrende oppdrag noensinne. Junis søster er tatt til fange på innsiden av et dataspill, hvor hennes eneste sjanse er å bli reddet av sin yngre agent-bror. Dermed legger Juni ut på en reise, inn i dataspillets verden for å redde sin søster. Problemet er bare det at han må nå det spillets siste ninå, "Level 5", for å lykkes med oppdraget. Han må beseire kjørende "Road Warriors", surfe på brennende lava og utkjempe kamper i gigantiske amfier. Ta på deg 3-D brillene og bli med på eventyret. Småspioner i 3-D presenterer Alexa Vega og Daryl Sabara som Juni og Carmen Cortez, samt Antonio Banderas og Carla spionenes foreldre, Gregorio og Ingrid. Vi møter også Steve Buscemi som den gale vitenskapsmannen Romeo, og actionfilm-veteranen Sylvester Stallone som den maktsyke "The Toymaker", dataspillets mektige bakmann som gjennom dataspillet vil ta kontroll over verdens unge.