1942. Londres vit à l'heure du blitz, la France à celle de Vichy. La jeune Ecossaise, Charlotte Gray se rend à Londres pour soutenir l'effort de guerre. Contactée par l'Intelligence Service pour une périlleuse mission de renseignements au coeur de la France occupée, Charlotte n'accepte que dans l'espoir de retrouver le pilote de la RAF qu'elle aime, porté disparu en mission.