England, 1943. Die junge Charlotte Gray (Cate Blanchett) verliebt sich in einen Piloten der Royal-Air-Force. Als der bei einem Einsatz über Frankreich abgeschossen wird, beschließt Charlotte, auf eigene Faust nicht ihrem Geliebten zu suchen. Sie lässt sich vom britischen Geheimdienst anwerben und zur Unterstützung der Résistance ins besetzte Frankreich schicken. Ihre Mission führt sie in ein kleines Dorf in der Provinz, wo sie Kontakt zu dem Widerstandskämpfern Julien Levade (Billy Crudup) aufnimmt. Bei ihren gemeinsamen, lebensgefährlichen Einsätzen kommen Charlotte und Julien einander immer näher. Und als Julien schließlich auf der Flucht von der Gestapo das Dorf verlassen muss, steht Charlotte vor einer dramatischen Entscheidung.