世界最高の凄腕スパイ・ランス（ウィル・スミス）は、活動を陰で支えている若き天才科学者ウォルター（トム・ホランド）が開発するガジェットを使って任務に当たっていた。しかし、ウォルターが新開発した装置のテスト中に誤動作が発生し、ランスは小さな鳩に変身してしまう。人間に戻ることが出来なくなってしまったランスは、鳩の姿のまま世界を震撼させる悪党キリアンに立ち向かうことになるのだが・・・。

「007」をコードネームに持つMI6のエージェント、ジェームズ・ボンドは新人女性エージェントのイヴとともにトルコでの作戦に参加していた。その最中、MI6の工作員が殺され、各国のテロ組織に潜入している全てのNATOの工作員の情報が収められたハードディスクが奪われた。ボンドはディスクを取り戻すべく、実行犯であるフランス人傭兵パトリスを追跡する。MI6部長・Mの指令により、ボンドと列車の上で格闘しているパトリスを狙ってイヴが撃った銃弾はボンドに当たり、ボンドは峡谷に落下し行方不明となる。 数ヶ月後。ボンドは公式に死亡が認定され、Mは情報漏洩の責任を問われ情報国防委員会の新委員長であるギャレス・マロリーから引退を勧められる。それは事実上の更迭勧告だった。その提案を拒絶するMだったが、その直後にMのコンピュータが何者かによってハックされる。さらにMI6本部も爆破され、多くの職員が犠牲となった。このニュースは僻地で秘かに過ごしていたボンドも目にするところとなり、ボンドはロンドンに戻る。00（ダブルオー）要員への復帰テストに臨むボンドだったが、成績は惨憺たるものであった。復帰に懐疑的なマロリーの意見を一蹴し、Mはボンドの職務復帰を承認する。ボンドは自身の肩に残っていた弾丸の破片からパトリスを特定し、新任の兵器開発課長・Qから装備を受け取ってパトリスの向かう上海へ赴く。

人間社会から孤立した女性のみの一族のプリンセスとして生まれたワンダーウーマンは、自分が育ってきた世界以外の環境を知らず、さらに男性を見たこともなかった。ある日、彼女は浜辺に不時着したパイロットと遭遇。彼を救出したことをきっかけに、ワンダーウーマンは身分を隠して人間社会で生活していくことにする。

極秘工作を行うブラックチームと、その悪名高きリーダーの活動を調査するため危険な街に降り立った堅物検事は、スパイ同士の激しい戦いに巻き込まれていく。

かつてエクストリームスポーツ界のカリスマとして知られ、15年前、NSA（米国家安全保障局）のギボンズの依頼でミッションに参加したザンダーは世界中を旅していたが、ギボンズがいるブラジルに人工衛星が墜落し、ギボンズが命を落としたと知る。ギボンズの後任のマルケは、人工衛星を操った最新装置“パンドラの箱”を奪った“ゴースト（幽霊）”というグループから“パンドラの箱”を奪回するようザンダーに依頼する。

天才レーサーのマックィーンとレッカー車のメーターが訪れた“トーキョー”で大事件が発生。さらには、フランス、イタリア、そしてイギリスと、ワールド・グランプリで世界を旅するマックィーンたちが行く先々でスパイが暗躍。マックィーンたちは巨大な陰謀から世界を救おうと立ち上がる。

世界は冷戦真っ只中。ジェームズ・ボンドの007復帰トレーニングから物語は始まる。マティーニとフォアグラ、キャビアで怠惰になった身体を鍛えなおすことを新着したMに命令された007。たまたま本部から斡旋されたロンドン郊外の治療施設でボンドはスペクターの女殺し屋ファティマ、そしてアメリカ空軍に所属するジャックの秘密特訓を目撃する。そしてその数日後、ジャックは米空軍より核弾頭搭載巡航ミサイルを2機盗むことに成功する。 この事件を追うボンドは地中海へ向かい、世界的な大富豪のラルゴをマークする。世界の海を豪華クルーザー「空飛ぶ円盤号」（クルーザー全長87m、アドナン・カショーギ所有）で移動しながら慈善活動を行なうビジネスマンだが、裏の顔は秘密結社スペクターのNo.1（スペクターNo.2＝首領は白猫を抱くブロフェルド）であった。そして彼のそばにはジャックの妹であるドミノがいた。

ボンドは北朝鮮側の非武装地帯にある基地で、アフリカから不正輸出されたダイヤモンドと引き換えに武器の密輸を行なっていたムーン大佐抹殺の任務を遂行した直後、彼の父であるムーン将軍に捕らわれ、長きに渡る監禁・拷問を受ける。 14ヶ月後、中華人民共和国の諜報員3名を殺害したのち、逮捕されたムーン大佐の側近のザオとの捕虜交換が行われ、ようやくMのもとに戻れたボンドは思いがけない言葉を耳にする。それは00（ダブルオー）ナンバーの剥奪だった。1週間前に北朝鮮内部に潜り込んでいたアメリカの工作員が処刑され、ボンドが居た収容所から情報が発信された事から、北朝鮮での拷問でボンドが機密事項を洩らしたのが原因だと疑うアメリカはこれ以上の情報漏れを恐れザオとの交換でボンドを連れ戻したのだという。ボンドを疑うMは、ボンドの00ナンバー剥奪という決断に至ったのだ。 この結果に納得のいかないボンドは、自らのプライドと00ナンバーを取り戻すべく単身でMたちのもとから脱出。香港を拠点に活動する中国の諜報員ミスター・チャンの協力のもと、ザオがキューバに潜伏中との情報をつかみ、キューバに飛ぶ。そこでアメリカ国家安全保障局（NSA）の諜報員ジンクスと遭遇する。