De tweeling Rebecca en Cecil zijn niet bepaald dol op hun stiefmoeder, de ex-spionne Marissa. Wanneer een gemene schurk verschijnt, die zichzelf de Timekeeper noemt, wordt Marissa opgeroepen om haar taak als spionne weer op te pakken. The Timekeeper wil de tijd op aarde stil zetten en het is aan Marissa om hem tegen te houden. Rebecca en Cecil hebben geen andere keus dan Marissa te helpen en krijgen daarbij hulp van Spy Kids Carmen en Juni Cortez. Spy Kids 4D is de eerste film die in de Nederlandse bioscopen in vierde dimensie te zien zal zijn. Bij elk bioscoopkaartje voor de 3D film ontvangt de bezoeker gratis één geurkaart met acht genummerde vakjes. Zodra tijdens de film een nummer oplicht op het scherm kan men het bijhorende vakje openkrassen.