I familieeventyret 'Spy Kids 4D' er Marissa Cortez Wilson (Jessica Alba) gift med en berømt spion-jæger, og hun er stedmor til Rebecca (Rowan Blanchard) og Cecil (Mason Cook), som ikke er vilde med hende.

Marissa har en hemmelighed – hun er tidligere topagent for OSS, og nu bliver hun kaldt til tjeneste igen, fordi hele verden er truet af den onde Timekeeper (Jeremy Piven).

Jordens undergang er nær, men så bliver Rebecca og Cecil blandet ind i sagen, og de erfarer at deres kedelige stedmor har været topagent. De to 10-årige tvillinger får det vildeste spion-udstyr, og så tager de på mission for at redde verden, og måske kan de også redde familien undervejs.

'Spy Kids 4D' er instrueret af Robert Rodriguez, som også har lavet de tre foregående film i serien.

Filmen præsenteres i Aromascope. Det betyder, at man sammen med billetten får udleveret et duftkort der passer til udvalgte scener i filmen, som præsenteres på lærredet.