Au début des années 60, alors que la guerre froide bat son plein, Napoleon Solo, agent de la CIA, et Illya Kuryakin, agent du KGB, doivent collaborer sur une mission conjointe ayant pour but de démanteler une puissante organisation criminelle internationale. Cette structure est déterminée à propager massivement des armes et à diffuser la technologie nucléaire dans le monde afin d'en fragiliser l'équilibre. Forcés de mettre leurs différends de côté pour accomplir leur devoir, les deux espions suivent la piste de la fille d'un chercheur allemand porté disparu. Le scientifique est en effet le seul à pouvoir infiltrer l'organisation criminelle et aider à empêcher une catastrophe à l'échelle mondiale.