Na začátku příběhu filmu Barbie: Tajná agentka zastihneme naši hrdinku Barbie společně s kamarádkami Terezou a Renée na gymnastickém tréninku. Všechny tři dívky jsou tak šikovné, že jejich schopnosti upoutají pozornost tajné agentury, která po celém světě honí ty největší zločince.

V jejím hledáčku se právě objevila rafinovaná zlodějka šperků, která svou hbitostí a mrštností překonává i ty nejnepřekonatelnější překážky. Nasadit proti ní tři gymnastky sice vypadá jako šílený a zoufalý nápad, ale, jak dobře víme, odvážnému štěstí přeje. 

Nový život ve světě špionáže si náramně užívají i Barbie s Terezou a Renée, protože díky tomu mohou zkoušet neuvěřitelné množství nejrůznějších převleků, používat nejmodernější technické vychytávky a trávit čas ve společnosti roztomilých robotích mazlíčků.

V první řadě ale budou muset pracovat, tedy honit a polapit mazanou zlodějku, a díky tomu zjistí, že ve zdánlivě křehkých holkách může dřímat pořádná hromada talentu.