Em uma missão para eliminar um embaixador nazista em Casablanca, no Marrocos, os espiões Max Vatan (Brad Pitt) e Marianne Beausejour (Marion Cotillard) se apaixonam perdidamente e decidem se casar. Os problemas começam anos depois, com suspeitas sobre uma conexão entre Marianne e os alemães. Intrigado, Max decide investigar o passado da companheira e os dias de felicidade do casal vão por água abaixo.