En 1942, durant le second conflit mondial, Charlotte Gray, une jeune Écossaise d'Edimbourg, se rend à Londres pour contribuer à l'effort de guerre. Là, elle fait la rencontre de Peter Gregory, un pilote de l'Armée de l'air britannique, dont elle tombe follement amoureuse. Mais ce dernier est porté disparu après que son avion a été abattu au-dessus du sol français.
Charlotte entre alors en contact avec un agent des Services secrets qui lui propose d'intégrer les rangs de la Résistance française sous une nouvelle identité, celle de Dominique. Celle-ci accepte avec l'espoir de retrouver son amoureux.
Au même moment, en France, les Allemands continuent à gagner du terrain. Charlotte va peu à peu jouer un rôle crucial dans l'organisation de la Résistance.