Rok 1963, środek Zimnej Wojny. Były złodziej, a obecnie profesjonalny agent CIA Napoleon Solo (Henry Cavill) zabiera ze Wschodniego Berlina Gaby Teller (Alicia Vikander). To córka naukowca, Udo (Christian Berkel), rzekomo współpracującego z nazistami, zaś w rzeczywistości sojusznika Stanów Zjednoczonych. Uciekinierom udaje się uniknąć ataku wroga, funkcjonariusza KGB Ilji Kuriakina (Armie Hammer). Po powrocie do kraju Solo składa raport swojemu przełożonemu. Sanders (Jared Harris) ujawnia, że cioteczny wujek Gaby, Rudi (Sylvester Groth), pracuje w firmie transportowej, której właścicielami są Aleksander i Victoria Vinciguerra. Para sympatyzuje z nazistami. Ci zamierzają wymóc na Tellerze stworzenie broni nuklearnej. W obliczu ogólnoświatowego zagrożenia CIA i KGB niechętnie podejmują współpracę. Solo wraz z Kuryakinem muszą powstrzymać małżeństwo Vinciguerra. Jednocześnie - w tajemnicy przed sojusznikami - otrzymują polecenia, by wykraść wyniki badań Tellera dla rządów swoich krajów.