O filme começa com James Bond a ser assassinado por um homem loiro e alto. Bond é capturado e estrangulado com um fio que saía de um relógio. Passado uns segundos, aproxima um homem e retira a mascára da personagem Bond revelando assim o fim de mais um treino da SPECTRE.
Noutro local, Kronsteen, um grande mestre de xadrez e agente da SPECTRE, planeia um plano para roubar uma máquina descodificadora Lektor aos russos usando o MI6 e os seus agentes secretos e uma rapariga da embaixada da URSS na Turquia como isco. O plano de Krontsteen (o n.º5 da organização SPECTRE) tem dois objectivos: o primeiro já referenciado que é roubar a máquina Lektor e o segundo é vingar a morte de Dr.No que também era da SPECTRE. Kronsteen apresenta o plano a Blofeld que é o n.º 1 da da organização criminal e escolhe a antiga agente da SMERSH Rosa Klebb, a n.º 2, para por em prática a missão. Klebb já tinha escolhido a rapariga: Tatiana Romanova, uma descodificadora da embaixada soviética na Turquia. Klebb escolhe também um assassino da SPECTRE chamado Robert Grant que teria como objectivo tirar a Lektor e assassinar James Bond.
Em Londres, M diz a Bond que Tatiana Romanova pediu asilo no Reino Unido oferecendo o descodificor e afirma também que isto é uma armadilha pois o MI6 e a CIA andavam atrás de um exemplar hà muitos anos. Contudo, M decide enviar Bond a Istambul, para a estação T liderada por Ali Kerim Bey. Antes da partida, M chama Q para apresentar uma mala que possui engenhos de ataque e defesa bem como 50 moedas de ouro.
Bond chega a Istambul e é apresentado a Kerim Bey. Este revela os promenores sobre a missão. Porém, no dia seguinte, o seu escritório é bombardeado. Kerim Bey e Bond atravessam as fundações da cidade até chegar ao consulado soviético. Bond vê através de um periscópio e vê Krilencu, um antigo inimigo de Kerim Bey. Depois, leva Bond a um campo cigano para desanuviar. Porém o campo é atacado pelos homens de Krinlencu levando assim Kerim Bey a concluir que foram os russos que bombardearam a sua casa. Como acto de vigança, Bey mata Krilencu com a arma de infravermelhos montável de Bond a meio da noite.
Quando Bond regressa ao hotel, este vê Tatiana Romanova deitada na cama. Os dois fazem amor e são filmados secretamente por Grent e Klebb.
No dia seguinte, Romanova arranja um encontro com Bond na Igreja de Santa Sofia e lá acontece uma série acontecimentos em que Grant mata um homem que vigiou Bond no aeroporto aquando da sua chegada. Bond irrita-se e quer tirar a secretária e a Lektor e levar ambos para Londres.
No dia seguinte, o agente entra no consulado soviético e Bey acciona um dispositivo explosivo. Bond aproveita a confusão e tira a Lektor e Romanova do consulado. Ambos fujem para a estação de comboio e apanhem o Expresso do Oriente. O comboio segue a viagem até Belgrado, local onde Bond devia ter um encontro com Nash da Estação Y. Porém, Grent intercepta o informardor em primeiro lugar e mata-o passando-se por ele posteriormente para iludir Bond. De volta ao comboio, Grent droga Romanova no vagão do restaurante. Quando Bond conduz Romanova à cabine, Grent ataca Bond e explica que a SPECTRE hà muito tempo andava atrás da Lektor. Bond fica surpreendido dado que pensava que fosse a SMERSH atrás do plano. Bond tenta persuadir Grent a aceitar 50 libras de ouro que se encontravam na mala. Ao abrí-la, Grent é surpreendido com gás lacrimogénio e Bond ataca-o e, no fim do combate, estrangula-o.
Bond pega em Romanova e saltam do comboio. Interceptam o camião de fuga de Grent e fojem da linha férrea. Ao chegar ao Mar Adriático, Bond pega no barco que também era destinado a Grent e foge do país juntamente com Romanova. Porém é persguido por homens da SPECTRE. O espião lança os barris de combustível ao mar e através de um foguete de localização e arrebenta-os escapando assim ileso.
Bond e Romanova chegam a Veneza e alugam um quarto num hotel. O último golpe da SPECTRE é Klebb passar-se por uma empregada e tentar apanhar a Lektor. Bond é interceptado por ela mas tenta defender-se através de uma cadeira e bloqueia-a contra a parede. Romanova pega na Walter PPK de Bond e atira sobre Klebb.
From Russia With Love termina com os Bond e Romanova numa gôndola.
