En Miss Agente Especial 2: Armada y Fabulosa encontramos a la agente del FBI Gracie Hart (SANDRA BULLOCK) poco después de haber neutralizado con éxito una amenaza contra el concurso de belleza de Miss Estados Unidos mientras trabajaba en secreto haciéndose pasar por concursante en Miss Agente Especial y de convertirse en una sensación mediática de la noche a la mañana.

Las cosas no le han ido muy bien últimamente. Mientras se recupera de una relación sentimental rota, y frustrada al comprobar que su nueva fama está poniendo en peligro el trabajo secreto que tanto ama, Gracie permite de mala gana que su jefe, el agente McDonald (ERNIE HUDSON), la convenza de servir al Departamento del único modo ahora posible: vestida y peinada para el circuito de los programas de entrevistas como "el rostro del FBI". Aprovechando el mayor golpe maestro a nivel de relaciones públicas en la historia del departamento, el FBI lanza a su nueva "chica de póster" a un torbellino de sesiones fotográficas para la prensa en las que recrea sus hazañas en el concurso de belleza ante un público lleno de adoración, con la ayuda del estilista personal Joel (DIEDRICH BADER) para pulir su aspecto.

Aunque al principio se resiste, Gracie pronto se entusiasma con la atención que despierta y no tarda mucho en meterse en su nuevo papel un poco demasiado. Su nueva compañera Sam Fuller (REGINA KING), una dura y ambiciosa agente que sin duda no es su mayor fan, es la primera en señalar que la mimada estrella del Departamento se está convirtiendo en la Barbie del FBI.

Pero cuando los mejores amigos de Gracie, la ganadora del concurso de belleza Cheryl Frazier y el presentador Stan Fields (HEATHER BURNS y WILLIAM SHATNER, que retoman sus papeles de Miss Agente Especial) son secuestrados en Las Vegas, el instinto policial de Gracie vuelve a aflorar.

Los jefazos del FBI, que no quieren arriesgarse a perder a su popular mascota, limitan su intervención a una conferencia de prensa en Las Vegas y envían a Sam como su guardaespaldas, dejando que el supervisor local del FBI Collins (TREAT WILLIAMS) se haga cargo del trabajo de rescate mientras que el joven agente Jeff Foreman (ENRIQUE MURCIANO) trata de mantener a Gracie y a su séquito al margen hasta que todo termine.

Pero cuando parece que Collins está llevando la investigación en la dirección equivocada, Gracie debe demostrar una vez más que las apariencias son engañosas y que cuando se trata de solucionar un caso difícil o de ayudar a sus amigos no hay nada que ella no haga.