Barbie et ses amies Teresa et Renée, des gymnastes talentueuses, sont repérées par une agence d'espionnage. Elles acceptent de travailler sous couverture. Le trio se retrouve sur les traces d'un chat cambrioleur et amateur de pierres précieuses. Grâce à des gadgets de haute technologie, des costumes glamour et des animaux-robots, Barbie et ses copines prouvent qu'une équipe soudée peut accomplir n'importe quelle mission.