En 1942, durant la Seconde Guerre mondiale, Charlotte Gray, une jeune Ecossaise ayant effectué ses études en France, se rend à Londres pour contribuer à l'effort de guerre. Là, elle rencontre Peter Gregory, un pilote de l'armée de l'air britannique, dont elle tombe follement amoureuse. Celui-ci est porté disparu après que son avion a été abattu au-dessus du sol français. Charlotte entre alors en contact avec un agent des services secrets qui lui propose d'intégrer les rangs de la Résistance française sous une nouvelle identité. Envoyée en France, elle découvre les horreurs de la guerre et la trahison d'un membre de son réseau de renseignements...
