哥倫比亞波哥大，一名毒梟向天才罪犯伊利亞·克拉克展示一張快閃記憶體盤，裡面裝有能破解全球任何數字系統的特別程序，結果被變節的克拉克趕在當局突襲豪宅前殺害。混亂中，哥倫比亞國家情報總局特工路易斯·羅哈斯拿了快閃記憶體盤。美國中央情報局特工梅森·「梅絲」·布朗奉命從羅哈斯手上買下快閃記憶體盤，與戀愛中的男友兼搭檔尼克·福勒一起前往巴黎。雙方交易的時候，德國聯邦情報局特工瑪麗·施密特搶走裝著錢的包，讓交易告吹。梅絲追瑪麗追到地鐵，同時尼克在小巷裡遇到克拉克。

回到美國中央情報局總部，梅絲得知尼剋死在小巷裡，上司賴瑞·馬克斯希望梅絲不擇手段拿回快閃記憶體盤。梅絲來到倫敦，請從軍情六處退休的特工好友哈迪婭·阿迪耶姆幫忙。羅哈斯將快閃記憶體盤交給沒有實戰經驗的國際情報總局心理學家葛蕾絲·里維拉。瑪麗的上司喬納斯·穆勒要她找回快閃記憶體盤，還聊起她父親如何成為聯邦情報局高級特工的。瑪麗小時候發現父親是俄羅斯派來的間諜，親自舉報了他。

梅絲和哈迪婭追著路易斯和葛蕾絲來到市場，結果被埋伏在市場的德國聯邦情報局特工埋伏，路易斯中槍。臨死前，路易斯交給葛蕾絲一個手機，只能由她打開，利用可以追蹤快閃記憶體盤的動態。梅絲和瑪麗上前追賊。瑪麗帶葛蕾絲去安全屋，梅絲和哈迪婭提前趕到。哈迪婭說大家都想要快閃記憶體盤，最好合作。四個月追蹤到大盜在摩洛哥，前往當地抓住他，還消滅敵對勢力的僱傭兵。一行人將快閃記憶體盤交給馬克斯。大家喝酒慶祝的時候，新聞報導多地出現飛機墜毀、供電中斷的事件，表明快閃記憶體盤已經落入恐怖組織手裡。兩人回到安全屋，發現馬克斯遇害。此時中情局的突擊隊攻入，大家意識到自己被陷害，成了馬克斯遇害、快閃記憶體盤被盜事件的替罪羊。

審訊中，盜賊透露快閃記憶體盤將在上海的一場黑市拍賣會上拍賣，最近出現的事件就是為了向潛在買家「表演」。一行人嵌入拍賣會場，梅絲驚訝發現尼克還活著，而且是克拉克安插在中情局的奸細。在神秘中國女人的幫助下，尼克逃離拍賣會場，一行人沒能阻止他拿走設備。女人自稱林蜜生，快閃記憶體盤是她所在特工部門用來辨別在場罪犯的誘餌，已經給她在尼克逃跑的時候拿了。她還告訴梅絲，馬克斯一直為克拉克賣命。

克拉克的手下發現尼克帶回的設備是個誘餌，打了他一頓。在克拉克將穆勒、哈迪婭男友艾哈邁德及葛蕾絲家人脅為人質的前提下，尼克去找一行人。穆勒、艾哈邁德和林蜜生的老父親被當場處決後，林蜜生同意和克拉克一起走，親自把快閃記憶體盤交給他，保住葛蕾絲家人的性命。其他人克服悲傷，發現林蜜生通過眼睛裡的相機實時傳送位置。她們拿了幾把槍，前去營救林蜜生，並開槍打傷尼克，在被捕前摧毀快閃記憶體盤。

兩個月後，已經晉升為中情局高級人士的尼克殺掉克拉克。回到家中，逃避抓捕的梅絲等人出現。尼克喝了梅絲給他的酒，中了毒，昏了過去，將要在國外的監獄度過餘生，為自己的罪行付出代價。分別時，一行人說她們未來肯定會團聚，共同打擊所在情報部門的腐敗行徑。