Como agente secreta de la División de Anti-proliferación de la CIA, Valerie Plame (Naomi Watts) dirige una investigación sobre la existencia de armas de destrucción masiva en Iraq. Su marido, el diplomático Joe Wilson (Sean Penn), acaba colaborando con ella. La investigación confirma la supuesta venta de uranio enriquecido por parte de Nigeria. Pero, cuando la administración de la Casa Blanca ignora sus conclusiones y utiliza el asunto para respaldar la entrada de Estados Unidos en la guerra de Iraq, Joe escribe un editorial en el New York Times haciendo públicos los resultados de la investigación, lo cual desencadena una encendida polémica. Poco después, un periodista de Washington desvela la identidad de Valerie. En estas circunstancias, la protagonista tendrá que afrontar una dura batalla para sacar a la luz la verdad, salvar su impecable reputación, su carrera y su vida privada.