La nau de la confederació espacial USS Reliant rep senyals de vida del planeta desèrtic Ceti Alfa V, i decideix investigar-les. Entre la tripulació de la Reliant que baixa al planeta es troba l'oficial Chekov, antic membre de l'Enterprise. Però l'únic que troba l'expedició és una balisa encesa entre les restes de la nau Botany Bay.

Dominika Egorova (Jennifer Lawrence) és reclutada contra la seva voluntat per ser un “pardal”, una seductora ensinistrada del servei de seguretat rus. Dominika aprèn a utilitzar el seu cos com a arma, però lluita per conservar el sentit de la identitat durant el deshumanitzador procés d'entrenament. Trobant la seva força en un sistema injust, es revela com un dels actius més sòlids del programa. El seu primer objectiu és Nate Nash (Joel Edgerton), un funcionari de la CIA que dirigeix ​​la infiltració més confidencial de l'agència a la intel·ligència russa. Els dos joves agents cauen en una espiral d'atracció i engany que amenaça les carreres, les lleialtats i la seguretat dels països respectius.