Dominika Egorova (Jennifer Lawrence) es una bailarina del Bolshoi que, tras una fractura se ve obliga a retirarse del mundo de la danza. Forzada por las autoridades rusas, como única forma de mantener sus privilegios y los de su madre enferma, la joven es reclutada por los servicios secretos de su país. Dominika formará parte de un programa ultrasecreto de la KGB llamado Gorrión Rojo. Allí, aprenderá el arte del espionaje utilizando métodos de seducción, un sistema muy eficaz para sacar información a los informadores enemigos.
Su primer objetivo será un agente de la CIA afincado en Rusia, llamado Nate Nash (Joel Edgerton), que resulta ser quien maneja los activos de la organización en el lugar. Uno de esos activos es Mármol, un topo que lleva años infiltrado en las altas esferas del servicio de inteligencia exterior ruso. Por eso a Dominika le encargan la misión de descubrir la identidad del topo, un cometido fundamental. Pero de forma paralela ella se embarcará junto a Nate Nash en una espiral de amenazas, engaños y atracción sexual que pondrá en peligro tanto sus carreras como la seguridad de sus respectivas naciones.