Im Jahr 1963 reist der ehemalige Meisterdieb Napoleon Solo im Auftrag der CIA nach Ost-Berlin. Solo wurde ursprünglich zu 15 Jahren Haft verurteilt, er wurde jedoch begnadigt, nachdem er sich verpflichtet hat, stattdessen für 15 Jahre für die CIA zu arbeiten. In Ost-Berlin sucht er die Kfz-Mechanikerin Gaby Teller auf und eröffnet ihr, dass ihr Vater Udo Teller, der als Wissenschaftler für die Nazis neue Waffen entwickelte, nach dem Zweiten Weltkrieg für die Amerikaner arbeitete und in den USA ein neues Leben führte, bis er vor kurzem verschwand. Es wird vermutet, dass er nun für eine internationale Verbrecherorganisation mit Verbindungen zu ehemaligen Nazis Atomsprengköpfe entwickelt, deren Herstellung dank eines ebenfalls von Dr. Teller neu entwickelten und deutlich weniger aufwendigen Verfahrens zur Uran-Anreicherung möglich wird. Daher soll Solo mit Gaby in den Westen fliehen, um mit ihrer Hilfe Udo Teller zurückzuholen. Beide wurden allerdings abgehört und sind deswegen gezwungen, ihre Flucht nach West-Berlin sofort anzutreten, um ihrer drohenden Verhaftung zu entgehen. Auf der Flucht werden sie neben der Polizei zusätzlich von dem KGB-Agenten Illya Kuryakin verfolgt, Gaby und Solo können Kuryakin jedoch an der Berliner Mauer knapp entkommen.
Durch das vereinfachte Anreicherungsverfahren von Dr. Teller wäre es für praktisch jeden möglich, waffenfähiges Uran herzustellen und damit Atomwaffen zu bauen. Dies wollen beide Supermächte verhindern, außerdem wollen sowohl die USA als auch die Sowjetunion Tellers Forschungsergebnisse jeweils für sich selbst haben und es wird eine Zusammenarbeit von Solo und Kuryakin vereinbart, welche nur widerwillig dazu bereit sind. Um Teller zu finden, soll Gaby ihren Onkel Rudi kontaktieren, der für die Spedition Vinciguerra arbeitet, die als Fassade der Verbrecherorganisation gilt, welche die Atomsprengköpfe bauen möchte. Sergio Vinciguerra, der Gründer der Spedition war ursprünglich Mitglied der italienischen Faschisten und hat Gerüchten zufolge nach dem Krieg Teile der Goldvorräte der Nazis nach Südamerika geschmuggelt. Sergios Sohn Alexander Vinciguerra und speziell dessen Frau Victoria führen die Firma weiter; Alexander führt vor allem ein Leben als Playboy, während Victoria seit dem Tod von Sergio Vinciguerra die Firma leitet und als die eigentliche fanatische Sympathisantin der Nazis gilt. Gaby, Kuryakin und Solo reisen nach Rom, um dort Gabys Onkel Rudi zu treffen und Kuryakin wird als Gabys Verlobter ausgegeben. Solo schleust sich als Kunstdieb auf einer Veranstaltung der Vinciguerras ein und erweckt das Interesse von Victoria Vinciguerra mit dem Angebot, ihr gewisse Kunstwerke für ihre Sammlung "besorgen" zu können.
Solo und Kuryakin dringen nachts in eine Firmenanlage der Vinciguerras ein und finden dort tatsächlich Beweise für eine Urananreicherung, dabei werden sie beinahe erwischt und können knapp entkommen. Am nächsten Tag verrät Gaby bei einem Treffen mit Onkel Rudi und Alexander Vinciguerra die Tarnung der beiden Agenten und bietet ihre Dienste zur endgültigen Überzeugung ihres Vaters für die Sache an. Kuryakin kann entkommen, Solo wird jedoch durch Victoria betäubt und soll durch Onkel Rudi zu Tode gefoltert werden, der bereits für die Nazis als Folterknecht arbeitete. Währenddessen reist Gaby mit den Vinciguerras auf deren Insel, auf der die Atomwaffen gebaut werden. Kuryakin kann Solo befreien, Onkel Rudi wird nun selbst von den Agenten gefoltert, er gibt die Geheimnisse der Vinciguerras preis und bietet sich als Kronzeuge gegen die Vinciguerras an. Durch eine Fehlfunktion fängt jedoch der elektrische Stuhl Feuer, mit dem Onkel Rudi zunächst Solo folterte und auf den er mittlerweile selbst festgeschnallt wurde, und er kommt dadurch selbst ums Leben.
Gaby trifft auf der Insel der Vinciguerras ihren Vater und erzählt ihm, dass sie zu seiner Rettung gekommen ist und er zum Schein den Nuklearsprengkopf fertigstellen soll. Dieser ist einer von zwei ursprünglich konventionellen Sprengköpfen, die sich durch ein Signal aufeinander ausrichten konnten, um dasselbe Ziel zu treffen und damit ihre Wirkung zu verstärken. Gabys Vater versucht, den nuklearen Sprengkopf zu sabotieren, Victoria überrascht ihn jedoch dabei und setzt Gaby als Druckmittel ein, um ihren Vater zur Fertigstellung zu zwingen, nach der Fertigstellung des Sprengkopfes wird Gabys Vater schließlich von Victoria erschossen. Solo und Kuryakin wollen sich gerade auf den Weg zur Insel machen, um Gaby zu befreien und werden von dem MI6-Agenten Waverly angesprochen. Dieser eröffnet ihnen, dass Gaby Teller bereits seit zwei Jahren seine Agentin ist und er bietet den Agenten seine Unterstützung an, um Gaby zu befreien, den Atomsprengkopf sicherzustellen und die Vinciguerras auszuschalten.
Von einem britischen Flugzeugträger aus infiltrieren Solo und Kuryakin mit der Hilfe von Royal Marines die Einrichtung der Vinciguerras. Alexander flieht daraufhin mit Gaby in seiner Gewalt und einer der Bomben über eine Landbrücke aufs Festland, die beiden Agenten können ihn jedoch stoppen und er wird schließlich von Kuryakin getötet. Es stellt sich heraus, dass der Sprengkopf, mit dem Alexander flüchtete, nicht die Nuklearwaffe ist, sondern nur über eine konventionelle Ladung verfügt. Victoria ist inzwischen mit dem nuklearen Sprengkopf auf einem alten Fischerboot auf dem Weg zur Übergabe der Bombe an ein Nazi-U-Boot. Solo kann Victoria über Funk erreichen, wodurch es möglich wird, sie zu orten und mittels des zweiten konventionellen Sprengkopfes zu töten.
Wieder zurück im Hotel in Rom vernichten Solo und Kuryakin gemeinsam sämtliche Aufzeichnungen Tellers, um sich für diese nicht gegenseitig töten zu müssen. Im Abschluss werden Solo, Kuryakin und Gaby als gemeinsames Team für eine neue Organisation unter der Führung Waverlys aufgestellt: U.N.C.L.E. (United Network Command for Law Enforcement).
