En 1942, durante la Segunda Guerra Mundial, Charlotte Gray, una joven escocesa de Edimburgo, llega a Londres para contribuir con la causa de la guerra. Allí, conoce a Peter Gregory, un piloto del Ejército del Aire británico, del que se enamora perdidamente. Pero Peter desaparece después de que su avión sea abatido sobre suelo francés. Charlotte entra entonces en contacto con un agente de los Servicios Secretos que le propone ingresar en las filas de la Resistencia francesa con una nueva identidad: Dominique. Ella acepta con la esperanza de encontrar a su amado. Al mismo tiempo, en Francia, los alemanes siguen ganando terreno, pero Charlotte se convertirá en una pieza crucial para la organización de la Resistencia.