Plot
Di Rusia modern, balerina terkenal bernama Dominika Egorova merawat ibunya yang sakit. Kariernya tiba-tiba berakhir setelah pasangan dansanya melukainya saat pertunjukan. Setelah Bolshoi memecatnya, Paman Dominika, Ivan, wakil direktur SVR, mengungkapkan bahwa mantan pasangannya, Konstantin, dan seorang penari saingan, Sonya, yang merupakan sepasang kekasih, sengaja melukainya. Dominika mencari pembalasan dengan menyergap mereka di kamar mandi Bolshoi dan memukuli mereka dengan tongkatnya, melukai keduanya. Untuk menghindari tuntutan hukum dan menerima dukungan finansial, Dominika setuju untuk membantu Ivan. Dia ditugaskan untuk merayu Dimitri Ustinov, seorang gangster Rusia, dengan imbalan perawatan medis untuk ibunya yang berkelanjutan.
Bertemu di sebuah bar, keduanya pergi ke kamar hotel pribadi Dominika, tempat Dimitri memperkosanya, tetapi segera dicegat dan dicekik oleh Sergei Matorin, seorang agen SVR yang diberi wewenang oleh Ivan. Mereka melarikan diri ke sebuah rumah persembunyian dan Ivan menawarkan Dominika pilihan: menjadi agen SVR, atau dieksekusi karena menyaksikan pembunuhan Ustinov.
Nate Nash adalah seorang agen CIA yang bekerja di Moskow. Saat bertemu dengan mata-mata Rusia berkode Marble di Taman Gorky, mereka dihadang oleh polisi. Nash membuat pengalihan untuk memastikan kontaknya lolos tanpa identitas saat tiba di Kedutaan Besar Amerika Serikat. Nash ditugaskan kembali ke Amerika Serikat tetapi bersikeras bahwa dialah satu-satunya orang yang akan bekerja sama dengan Marble. Karena tidak dapat kembali ke Rusia, ia ditugaskan ke Budapest untuk menjalin kembali kontak dengan Marble, yang juga disimpulkan oleh SVR.
Dominika dikirim ke Sekolah Negeri 4, sebuah sekolah pelatihan spesialis brutal untuk "Sparrows"—para agen yang mampu merayu target mereka dengan spionase seks —di mana ia diberi alias Katya, dan mengungkapkan identitas serta profesi aslinya dilarang. Ia unggul dalam pelatihannya, meskipun sempat berselisih dengan pelatihnya, 'Matron'. Melawan rekomendasi Matron, Ivan dan Jenderal Vladimir Korchnoi, seorang pejabat tinggi, memutuskan bahwa Dominika siap ditugaskan di Budapest—untuk mendapatkan kepercayaan Nash dan mengungkap identitas Marble.
Di Budapest, Dominika tinggal bersama Marta, teman "Sparrows"nya, dan diawasi oleh kepala stasiun Maxim Volontov. Ia menghubungi Nash, yang dengan cepat menyadari bahwa ia adalah agen intelijen Rusia dan berusaha meyakinkan Dominika untuk membelot.
Dominika memeriksa kamar Marta dan mendapati Marta ditugaskan untuk membeli intelijen rahasia dari Stephanie Boucher, kepala staf seorang Senator Amerika Serikat. Ketika Ivan mendesaknya tentang lambatnya perkembangan Marta dengan Nash, Dominika mengaku bahwa ia juga membantu Marta menangani Boucher.
Marta dibunuh secara brutal oleh Sergei Matorin setelah Dominika menceritakan insiden sebelumnya dengan Ustinov. Dominika kemudian diperingatkan oleh Sergei bahwa nasib yang sama akan menimpanya jika ia membuka mulut lagi. Dominika menghubungi Nash, setuju menjadi agen ganda dengan imbalan perlindungan bagi dirinya dan ibunya, dan berhubungan seks dengannya. Atas perintah Rusia, Dominika pergi ke London bersama Volontov untuk bertemu Boucher dan menyelesaikan pertukaran tersebut, tetapi diam-diam menukar intelijen yang ia berikan dengan disinformasi yang dipasok CIA.
Setelah pertemuan itu, Boucher menyadari bahwa ia sedang diamati oleh agen intelijen Amerika Serikat, panik, lalu mundur ke jalan raya dan tewas. Agen Rusia yang mengamatinya menyadari bahwa misi mereka telah dibobol. Diduga membocorkan informasi kepada Amerika Serikat, Dominika dan Volontov dipanggil kembali ke Moskow, tempat mereka disiksa dan diinterogasi selama berhari-hari.
Volontov dieksekusi, tetapi klaim Dominika yang tidak bersalah akhirnya dipercayai oleh Ivan. Ia diizinkan kembali ke Budapest untuk melanjutkan misinya mencari tahu identitas Marble dari Nash. Namun, ia justru meyakinkan Nash untuk memindahkan dirinya dan ibunya ke Amerika Serikat.
Setelah menghabiskan malam bersama Nash, Dominika terbangun dan mendapati Nash sedang disiksa oleh Matorin untuk mengungkap identitas Marble. Awalnya Dominika membantu, tetapi Matorin lengah dan Dominika membunuhnya, tetapi ia terluka parah saat melakukannya. Dominika terbangun di rumah sakit tempat Korchnoi mengungkapkan dirinya sebagai Marble. Korchnoi menjelaskan bahwa ia seorang patriotik, tetapi menjadi kecewa ketika seorang birokrat yang pernah ia sakiti menolak mengizinkan seorang dokter Amerika Serikat untuk mengoperasi istrinya yang sakit.
Korchnoi khawatir ia akan segera tertangkap, jadi alih-alih mati sia-sia, ia memerintahkan Dominika untuk mengungkap identitasnya kepada Ivan. Dengan begitu, ia akan menjadi pahlawan nasional, dan ia bisa menggantikan Ivan sebagai mata-mata yang membocorkan informasi intelijen kepada CIA.
Ketika Dominika menghubungi atasannya, ia menjebak Ivan sebagai mata-mata, menggunakan bukti yang ia buat sejak pertama kali tiba di Hongaria, dan menyalahkan Ivan atas kegagalan pertukaran tahanan di London. Ivan terbunuh oleh penembak jitu dalam pertukaran tahanan, sementara Nate menyetujui rencananya untuk mengonfirmasi identitas mata-mata tersebut, dan Dominika dihormati dalam sebuah upacara militer setelah kembali ke Rusia.
Kembali di Rusia, Dominika tinggal bersama ibunya. Ia menerima telepon dari seseorang yang tidak dikenal yang memainkan konserto piano Grieg, yang menurutnya merupakan karya untuk penampilan solo pertamanya. Film berakhir dengan ia menonton pertunjukan balet di Bolshoi dari balkon dan meninggalkan pertunjukan yang belum selesai.
