En septembre 1942, alors que l'Angleterre est assiégée, Charlotte Gray quitte l'Écosse et se rend à Londres pour participer à l'effort de guerre. Elle rencontre bientôt Peter, un pilote de la RAF, et ils s'amourachent l'un de l'autre. Quand l'avion de Peter est abattue au-dessus de la France, Charlotte décide de partir à sa recherche. Elle joint la résistance française et profite de sa position d'espionne en mission spéciale pour poursuivre son but secret de retrouver Peter.