Veja trailer do filmeA história mistura elementos dos filmes de James Bond, Austin Powers, histórias de super-heróis e muito mais. Mas também consegue ser original, haja visto que se inspira em grande medida nas fantasias e desenhos da infância do próprio Robert Rodriguez.
No começo da história, Gregorio Cortez (Antonio Banderas) e sua mulher Ingrid (Carla Gugino) estão tranquilamente criando seus filhos, Carmen (Alexa Vega) e Juni (Daryl Sabara).
A pré-adolescente Carmen tem raiva de sua família maçante e sonha em fugir de casa, enquanto o tímido e nervoso Juni sofre com as verrugas provocadas por suas mãos constantemente suadas.
Embora as crianças não saibam, Ingrid e Gregório foram espiões no passado. Convencidos a voltar à ativa para resgatar vários colegas sequestrados, eles deixam as crianças com um amigo da família, Felix Gumm (Cheech Marin).
Mas, quando sirenes de Alerta Vermelho começam a tocar e a casa é cercada por bandidos vestidos de preto, Felix diz às crianças que seus pais podem estar correndo perigo e lhes mostra como fugir.
Carmen e Juni partem para salvar seus pais, e a partir desse momento Pequenos Espiões decola num vôo colorido de fantasia e aventura. O próprio Rodriguez imaginou a maioria das engenhocas do filme, incluindo um submarino em forma de peixe que vira barco, um avião espião em tamanho mirim que é capaz de dar a volta ao mundo em 10 minutos e cintas de ferramentas repletas de chiclete que dá choque elétrico, giz de cera ácido e outras coisinhas mais.