Di sebuah pangkalan satelit di Jerman, seekor anak anjing misterius ternyata adalah Kitty Galore, kucing jahat tanpa bulu yang menyamar demi mencuri dokumen rahasia. Rex, anjing agen rahasia, segera melaporkan ancaman itu ke markas besar anjing.

Di San Francisco, anjing polisi ceroboh bernama Diggs membuat kekacauan saat misi penyanderaan dan akhirnya diskors. Namun ia justru direkrut agen senior Butch untuk bergabung dalam operasi rahasia menghentikan Kitty Galore. Kitty mengancam akan menyiarkan gelombang suara bernama Call of the Wild yang bisa membuat seluruh anjing menyerang manusia.

Dalam misi pencarian, Diggs dan Butch bertemu agen kucing cantik bernama Catherine dari organisasi M.E.O.W.S. Mereka terpaksa bekerja sama meski anjing dan kucing adalah musuh lama. Catherine mengungkap bahwa Kitty dulunya agen hebat bernama Ivana Clawyu, tetapi berubah jahat setelah kehilangan bulu dan ditolak majikannya.

Tim gabungan itu menelusuri jejak Kitty lewat berbagai perangkap gila, termasuk ruangan penuh pasir kotoran kucing dan penjara tempat musuh lama Mr. Tinkles ditahan. Setelah banyak konflik, Diggs belajar percaya pada tim dan berhenti bertindak egois.

Kitty akhirnya menjalankan rencananya di taman hiburan dengan memakai wahana sebagai pemancar satelit raksasa. Saat gelombang mulai menyebar ke berbagai kota, Diggs dan Catherine berpacu melawan waktu. Diggs berhasil memancing robot penjaga Kitty menggigit kabel utama hingga satelit meledak dan rencana jahat itu gagal total.

Setelah dunia selamat, Diggs kembali tinggal bersama Shane dan resmi jadi pahlawan. Namun ancaman baru muncul saat Mr. Tinkles kabur dari penjara, menandakan petualangan berikutnya belum berakhir.