El professor Bennet és un científic que ha creat una fórmula que permetria reduir el cos humà a un grandària microscòpica durant un temps il·limitat. Quan es disposa a entregar-la al Pentàgon, uns espies provoquen un accident de trànsit que deixa el professor incapacitat per a tota feina científica. Però les Forces Dissuasòries de Miniatures Combinades engeguen un pla per operar-lo des de l'interior.

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.

Els serveis secrets britànics aconsegueixen, gràcies a mentides i promeses falses, que un metge senzill dugui a terme una missió arriscada d'espionatge a Beirut. En arribar al país coneix una atractiva agent doble a qui confia els seus secrets.