Elly Conway (Bryce Dallas Howard) es una introvertida escritora amante de los gatos, autora superventas de las novelas de espías protagonizadas por Argylle (Henry Cavill), un glamuroso agente secreto con la misión de desbaratar una siniestra organización. En compañía de Aidan (Sam Rockwell), un espía real que odia a los felinos, Elly descubre que sus relatos se corresponden con las actividades de una red real de espionaje, comenzando un peligroso juego de persecuciones. Estos dos insólitos colaboradores, junto con el gato Alfie, tendrán que introducirse en su propia aventura para adelantarse a los asesinos y evitar una crisis mundial.