O filme começa com James Bond a ser assassinado por um homem loiro e alto, Red Grant. Bond é capturado e estrangulado com um fio que saía de um relógio. Passado uns segundos, aproxima um homem e retira a máscara de "Bond", revelando ser um sujeito disfarçado e um treino da SPECTRE.
Noutro local, Kronsteen, um grande mestre de xadrez e n.º5 da SPECTRE, planeja um plano para roubar uma máquina descodificadora Lektor aos russos usando o MI6 e os seus agentes secretos e uma agente da embaixada da URSS na Turquia como isca. Em seguida, venderiam a máquina de volta aos soviéticos e vingariam a morte do agente da SPECTRE, Julius No, nas mãos de Bond. Após o n.º 1 da SPECTRE ser informado da missão, designa a antiga agente da SMERSH Rosa Klebb, a n.º 3, para por em prática a missão. Klebb já tinha escolhido a moça: Tatiana Romanova, uma descodificadora da embaixada soviética na Turquia, que pensa estar fazendo tudo pela Mãe Rússia. Klebb escolhe também Red Grant para tirar a Lektor e assassinar James Bond.
Em Londres, M diz a Bond que Tatiana Romanova pediu asilo no Reino Unido oferecendo o descodificador e afirma também que isto é uma armadilha, pois, o MI6 e a CIA andavam atrás de um exemplar há muitos anos. Contudo, M decide enviar Bond a Istambul, para a estação T liderada por Ali Kerim Bey. Antes da partida, M chama Q para apresentar uma mala que possui engenhos de ataque e defesa bem como 50 moedas de ouro.
Bond chega a Istambul e é apresentado a Kerim Bey. Este revela os pormenores sobre a missão. Porém, no dia seguinte, o seu escritório é bombardeado. Kerim Bey e Bond atravessam as fundações da cidade até chegar ao consulado soviético. Bond vê através de um periscópio Krilencu, um antigo inimigo de Kerim Bey. Depois, leva Bond a um campo cigano para descansar. Porém o campo é atacado pelos homens de Krilencu levando assim Kerim Bey a concluir que foram os russos que bombardearam a sua casa. Como ato de vingança, Bey mata Krilencu com o fuzil de precisão montável de Bond.
Quando Bond regressa ao hotel, este vê Tatiana Romanova deitada na cama. Os dois fazem amor e são filmados secretamente por Grant e Klebb. No dia seguinte, Romanova arranja um encontro com Bond na Igreja de Santa Sofia e lá acontece uma série acontecimentos em que Grant mata um homem que vigiou Bond no aeroporto quando da sua chegada. Bond irrita-se e quer tirar a secretária e a Lektor e levar ambos para Londres.
No dia seguinte, Bond e Bey entram no consulado soviético, e após criarem uma confusão roubam o Lektor, para em seguida fugirem para a estação de comboio e apanharem o Expresso do Oriente. Na viagem, Bey e um agente soviético são mortos por Grant, que faz a cena parecer como se um tivesse matado o outro. O comboio segue a viagem até Belgrado, local onde Bond devia ter um encontro com Nash da Estação Y. Porém o agente que Bond recebe na verdade é Grant, que interceptara o informador. De volta ao comboio, Grant droga Romanova no vagão do restaurante. Quando Bond conduz Romanova à cabine, Grent ataca Bond e explica os planos da SPECTRE. Bond fica surpreendido dado que pensava que fosse a SMERSH atrás do plano. Grant também revela o filme feito no hotel, dizendo que irá plantá-lo no vagão junto com uma carta de chantagem para fazer as mortes de Bond e Romanova parecerem um assassinato seguido de suicídio. Bond tenta persuadir Grant a aceitar 50 libras de ouro que se encontravam na mala. Ao abri-la, Grent é surpreendido com gás lacrimogênio e Bond ataca-o; no fim do combate, estrangula-o.
Bond pega em Romanova e saltam do comboio. Interceptam o caminhão de fuga de Grant e fogem da linha férrea, chegando a uma doca com um barco a motor após destruir um helicóptero inimigo. O N.º 1, furioso, chama Kronsteen e Klebb, ordenando o capanga Morzeny a matar o primeiro, e em seguida ordenar Morzeny e Klebb a interceptarem Bond e o Lektor.
No Mar Adriático, Bond e Romanova são perseguidos por Morzeny e os homens da SPECTRE. O espião lança os barris de combustível ao mar e através de um foguete de localização e arrebenta-os escapando assim ileso. Bond e Romanova chegam a Veneza e alugam um quarto num hotel. O último golpe da SPECTRE é Klebb passar-se por uma empregada e tentar apanhar a Lektor. Bond é interceptado por ela, que tenta matá-lo com uma arma e uma lâmina em seu sapato, mas Bond defende-se e bloqueia-a contra a parede. Romanova pega a Walther PPK de Bond e atira em Klebb. Em seguida, Bond e e Romanova se beijam numa gôndola, enquanto Bond joga no mar o filme com ambos no hotel turco.
