In 1969 verslaat de Britse geheim agent Austin Powers de meeste handlangers van zijn grote vijand Dr. Evil. Dr. Evil besluit zich in te vriezen zodat Austin hem niet zal kunnen pakken. Austin besluit zichzelf ook in te laten vriezen, voor het geval Dr. Evil ooit weer tevoorschijn komt.
Amy, Dominique, Max and Janet zijn zeer jonge maar vooral zeer sexy D.E.B.S oftewel 'special agents', die 'undercover' werken voor de regering. Regelmatig wordt een beroep gedaan op de meiden om de wereld te verlossen van menige snoodaard. In schooluniformen, trekt het dappere viertal ten strijde. Tijdens één van hun missies gaat het echter mis; Amy wordt gegijzeld door juwelendief Lucy Diamond. Terwijl de andere D.E.B.S. denken dat Amy in gevaar is en zich op een reddingsplan beramen, wordt Amy volslagen verliefd op haar voormalige vijand Lucy. Zal Amy de D.E.B.S vaarwel zeggen om met Lucy de horizon tegemoet te gaan? Of zal ze de liefde van haar leven aan zich voor bij laten gaan vanwege haar roeping om de wereld van slechteriken te ontdoen?
Een huurmoordenaar genaamd Filthy Harry wordt ingehuurd door een duistere figuur en belast met het doden van de helden. De mannen worden tweemaal beschuldigd van verschillende overvallen door de nieuwe vriendin van King Kong, bijna opgenomen in een psychiatrisch ziekenhuis door hun slinkse baas, en gedwongen om te vechten tegen de met wapens beladen robot van Filthy Harry terwijl ze bedekt zijn met tijdbommen.
Michael Corben, gaat samen met zijn klas Frans op schoolreis naar Frankrijk. Het toeval bestaat dat er een undercover agent met dezelfde naam bestaat als Michael. Als Michael op een gegeven moment wordt aangezien als de undercover agent, verandert zijn schoolreisje in een gevaarlijke trip, waarbij hij een belangrijke politicus moet beschermen.
Privédetective Jeff Milton uit New York onderzoekt een geval van ontvoering in Caracas.
Dr. Evil en Mini-Me zijn ontsnapt uit hun gevangenis, om vervolgens samen met de slechte Goldmember een plan voor wereldheerschappij te verzinnen. Dit plan bestaat uit flink wat tijdreizen, en het kidnappen van de spion Nigel Powers, de vader van geheim agent Austin Powers. Terwijl Austin Dr. Evil, Mini-Me en Goldmember door de tijd achterna reist stopt hij in 1975. Hier krijgt hij hulp van een oude vriendin, detective Foxy Cleopatra.
Agent Dick Steele moet voorkomen dat generaal Rancor de wereld vernietigt met een speciale raket, waarvoor hij alleen nog een bepaalde computerchip mist. Deze chip is uitgevonden door professor Ukrinsky, met wiens dochter Steele wil samenwerken in deze zaak, niet wetend dat zij een KGB-agent is.