Barbie et ses deux meilleures amies, Teresa et Renée, font partie d’un club de gymnastique. Après leur répétition pour une compétition, elles sont approchées par la Tante Zoé de Renée, qui n’est nulle autre que l’Agent Z, chef d’une agence de renseignements. Elles sont engagées pour empêcher une voleuse aux talents impressionnants en gymnastique de dérober toutes les pierres précieuses, qui mises ensemble forment une arme capable de détruire la planète. Les trois filles suivent un entrainement poussé donné par l’Agent Dunbar et se voient offrir les gadgets très inventifs du jeune Lazlo, ainsi qu’un robot-chien à intelligence artificielle du nom de Percy. Mais elles ne sont que des débutantes et elles devront faire face à leurs angoisses pour être à la hauteur de leur mission.