Año 1942 durante la Segunda Guerra Mundial. Max (Brad Pitt) es un espía del bando aliado que se enamora de Marianne (Marion Cotillard), una compañera francesa, tras una peligrosa misión en el norte de África. La pareja comienza una relación amorosa hasta que a él le notifican que Marianne puede que sea una agente doble que trabaja para los nazis.