故事发生在1963年的德国，时值冷战期间，德国女汽车技师嘉比（艾丽西亚·维坎德 Alicia Vikander 饰）的父亲是一位精通核武器的专家，最近，有证据表情他正在帮助纳粹制造核武器，来达到统一全人类的邪恶野望。
拿破仑（亨利·卡维尔 Henry Cavill 饰）是CIA的特工，他曾经犯过的错误让他的仕途岌岌可危，他必须做出点成绩来证明自己并非无用之才。伊利亚（艾米·汉莫 Armie Hammer 饰）是苏联国家安全委员会特工，他的父亲被政府打上了贪污分子的烙印，为了摆脱父亲带给自己的不良影响，伊利亚必须比其他人更加努力。这样的两个人都想要赶在对方之前将核弹大师捉拿归案。

1949年，新中国建立之初。江山初定，百废待兴，和平的表象下没有硝烟的战争早已拉开序幕。败逃台湾的国民党接连向大陆派出特工，伺机破坏。为了应对接二连三的破坏活动，中共成立情报部门701局与敌方展开连番较量。同年10月初，701局控制的侦听局莫名消失，为了查清消失电台的下落，701局负责人老鬼（王学兵 饰）授命代号二〇〇的张学宁（周迅 饰）去上海寻找耳力超群的钢琴调音师罗三耳。结果阴差阳错，学宁找到了罗德小徒弟——耳力同样超群的盲人调音师阿兵（梁朝伟 饰）。阿兵不负众望，不仅通过层层严苛的考试，还在工作中一鸣惊人。在残酷的谍报战争中，阿兵和学宁之间某种情愫也暗暗滋生……