1942년 모로코 카사블랑카. 영국의 정보국 장교 맥스 바탄(브래드 피트)과 프랑스의 비밀요원 마리안 부세주르(마리옹 꼬띠아르)는 부부로 위장하여 독일 대사를 암살하는 임무를 맡게 된다. 작전을 수행하던 맥스는 마리안과 운명적인 사랑에 빠지게 되고, 임무를 마친 두 사람은 런던으로 돌아와 결혼하고 어린 딸과 함께 행복한 나날을 보낸다.
하지만 어느 날, 맥스는 상부로부터 아내에 관한 충격적인 말을 듣게 된다.
“우린 자네 부인이 스파이라고 의심하고 있네.”
맥스는 72시간 내에 마리안의 무고함을 밝히지 못하면 제 손으로 아내를 죽여야 하는 상황에 처하게 된다.
“사실이 아니야. 내가 증명하겠어”
아내가 스파이가 아니라는 것을 증명하기 위해 애쓰지만 사랑하는 아내의 모든 것을 의심해야만 하는 맥스. 사흘 안에 마리안의 진실을 밝혀낼 수 있을 것인가?