東西冷戦真っただ中の1960年代前半。ナチスの残党が強大な国際犯罪組織と手を組み、核兵器とその技術拡散によって世界の勢力バランスを揺るがそうとするテロ計画を企んでいた。そんな中、CIAで最も有能な男といわれるナポレオン・ソロ(ヘンリー・カヴィル)と、KGBに史上最年少で入った超エリートのイリヤ・クリヤキン(アーミー・ハマー)は、長年の敵対感情をひとまず忘れ、謎の国際犯罪組織撲滅の合同任務に乗り出す。だが手掛かりは、その犯罪組織潜入の鍵となる失踪したドイツ人科学者の娘だけであった。彼女を守りながら、科学者本人を探し出さなければならない二人だったが、考え方もやり方も何もかも正反対。タイムリミットが迫る中、核爆弾大量生産の危機から二人は世界を救えるのか……。