Kurittomuudesta nuhteita saanut majuri John Reisman saa tehtäväkseen koota kaksitoista vakavista rikoksista kuolemaan tai pitkään vankeuteen tuomittua rikollista ja kouluttaa heidät erittäin salaista sotilaallista tehtävää varten. Päämääränä on hyökätä saksalaisten salaiselle huvilalle ja eliminoida mahdollisimman monta siellä lomailevaa saksalaista upseeria. Luonnollisesti kohde on tarkoin vartioitu, joten tehtävä on erittäin vaikea ja vaarallinen. Miltei mahdottoman tehtävän kautta armeijan kurista piittaamattomille rikollisille tarjotaan mahdollisuutta hyvittää entiset pahat tekonsa ja armahdusta tuomioistaan, mikäli he selviävät tehtävästään hengissä.
Mukaansatempaava elokuva paljastaa eversti Claus von Stauffenbergin uskomattoman tositarinan, hänen nerokkaan suunnitelmansa salamurhata Adolf Hitler - ja herättää henkiin uskaliaan operaation, jonka päämäärä oli eliminoida yksi ihmiskunnan historian julmimmista tyranneista.Tom Cruisen rinnalla sivuosissa loistavat Kenneth Branagh, Bill Nighy, Tom Wilkinson, Terence Stamp ja Eddie Izzard Operaatio Valkyrien pitäessä katsojan piinavan jännittävässä ja pulssianostattavassa otteessaan alusta loppuun!
Saksalaiset käynnistävät operaatio Barbarossan loppuvaiheen elokuussa 1941 piirittämällä Leningradin. Hitler oli varma nopeasta voitosta mutta puna-armeija onnistui pitämään puoliaan ylivoimaisia saksalaisjoukkoja vastaan. Palavan kaupungin ulkomaankirjevaihtajat kutsuttiin pikaisesti kotimaihinsa. Nuori brittijournalisti Kate Davis, jonka oletettiin jo kuolleen, jätettiin raunioihin taistelemaan hengestään. Seuraavien 900 päivän aikana noin miljoona ihmistä tulisi kuolemaan taisteluiden sekä hyytävän pakkasen ja nälän kourissa.