1942년 모로코 카사블랑카, 영국의 정보국 장교 맥스 바탄(브래드 피트)과 프랑스 비밀요원 마리안 부세주르(마리옹 꼬띠아르)는 독일 대사를 암살해야 하는 임무를 맡게 된다. 작전을 수행하던 맥스는 치명적인 매력의 마리안과 운명적인 사랑에 빠지게 되고, 임무를 마친 두 사람은 런던으로 돌아와 결혼해 딸과 함께 행복한 나날을 보낸다. 하지만 어느날 맥스는 상부로부터 아내에 관한 충격적인 말을 듣게 된다. 마리안이 스파이라는 정황이 포착됐다는 이야기를 듣게 된 맥스는 72시간 내에 아내의 무고함을 밝히지 못하면 자신의 손으로 아내를 죽여야 하는 상황에 처하게 된다.