Rodriguez, che gioca spesso ai videogiochi con i suoi figli, ha ideato il concetto base della storia intorno a un videogioco e a dei giovani fratelli, decidendo solo in seguito di inserirlo nell'universo già sviluppato di Spy Kids.

Il film doveva inizialmente essere l'ultimo capitolo della saga di Spy Kids, ma la serie è poi proseguita con un quarto film nel 2011 e un quinto nel 2023.

Le riprese si sono svolte dal 10 gennaio al 30 aprile 2003 e circa il 90% del film è stato girato interamente su green screen.

Robert Rodriguez ha composto da solo la colonna sonora del film, la prima per cui si prende il merito esclusivo, suonando anche chitarra, basso, tastiera e batteria nella "Game Over Band"; il brano del titolo è cantato da Alexa Vega.

Il cast presenta numerosi camei di attori famosi in ruoli minori, tra cui Salma Hayek, Steve Buscemi, Bill Paxton, George Clooney ed Elijah Wood nel ruolo di "The Guy".

Selena Gomez appare in un piccolo ruolo come una ragazza in un parco acquatico, mentre Glen Powell fa il suo debutto cinematografico nei panni di un ragazzo dalle dita lunghissime.

Per la sua interpretazione del Giocattolaio, Sylvester Stallone ha vinto il Razzie Award come peggior attore non protagonista ai Golden Raspberry Awards del 2003.

Il film ha incassato oltre 197 milioni di dollari nel mondo, diventando il capitolo con il maggior incasso dell'intera serie Spy Kids, nonostante recensioni critiche contrastanti.

Nell'episodio "The Never-Ending Stories" della serie animata American Dad, il personaggio Stan Smith afferma di essere l'unico contributore della pagina Wikipedia dedicata a Spy Kids 3-D: Game Over.