Barbie dan sahabat-sahabatnya, Teresa dan Renee, berubah dari pesenam pekerja keras menjadi agen rahasia yang menyamar. Ketika keterampilan senam mereka yang luar biasa menarik perhatian agen mata-mata rahasia, para gadis itu segera mengikuti petunjuk tentang pencuri kucing yang suka mencuri permata, menggunakan gadget berteknologi tinggi, penyamaran glamor, dan hewan peliharaan robot yang lucu untuk menyelamatkan hari.