Como oficial secreta de la División de Anti-proliferación de la CIA, Valerie Plame (Naomi Watts) dirige una investigación sobre la existencia de armas de destrucción masiva en Iraq. Su marido, el diplomático Joe Wilson (Sean Penn), se ve arrastrado a la investigación para confirmar una supuesta venta de uranio enriquecido por parte de Nigeria. Pero cuando la administración de la Casa Blanca ignora sus conclusiones y utiliza el tema para respaldar la entrada de Estados Unidos a la guerra de Iraq, Joe escribe un editorial en el New York Times explicando sus conclusiones e iniciando una encendida polémica.

Poco después, el estatus de agente secreto de Valerie es revelado por un periodista de alto nivel de Washington. Con su identidad al descubierto y sus contactos en el extranjero en peligro, Valerie se ve empujada a una situación límite al ver como su carrera y su vida privada se desmoronan. Tras años de servicio al gobierno, Valerie - una madre, esposa y agente de campo con un expediente impecable - deberá luchar para sacar a la luz la verdad y salvar así su reputación, su carrera y su familia.