언제나 혼자 일하는 슈퍼 스파이 랜스 스털링(윌 스미스)은 도난당한 무기 ‘M9어쌔신’을 회수하기 위해 불법 거래 현장으로 출동한다. 무사히 임무를 마친 랜스는 의기양양하게 정보국으로 복귀하지만, 악당 킬리언의 함정에 빠져 무기를 훔쳤다는 누명을 쓰고 쫓기는 신세가 된다. 무기와 함께 사라진 킬리언을 붙잡아야 하는 랜스는 정보국의 연구원 월터 베켓(톰 홀랜드)에게 도움을 구한다. 어린 시절부터 ‘별난 놈’으로 놀림받았던 월터는 돌아가신 엄마의 응원을 되새기며 기발한 스파이 장비들을 발명해온 MIT 출신의 천재. 그런데 월터가 실험 중인 액체를 마신 랜스가 비둘기로 변해버린다. 혼자서는 아무것도 할 수 없는 ‘새’스파이 랜스는 ‘함께’의 가치를 아는 월터와 어쩔 수 없이 한 팀이 된다. 이렇게 탄생한 스파이 콤비는 세상을 위협하는 킬리언의 음모를 막기 위해 본격적인 미션을 시작하는데…