Elly Conway, som spilles af Bryce Dallas Howard, er den tilbageholdte forfatter, der elsker katte, og som har skrevet en serie af bestseller-espionageromaner om den uimodståelige hemmelige agent Argylle (Henry Cavill), der på en mission forsøger at afmystificere en skumle spionorganisation. Da Elly, med hjælp fra den kattehadende virkelige spion Aidan (Sam Rockwell), opdager at hendes fortælling spejler handlingerne fra en virkelig spionorganisation, opstår der et farligt kat-og-mus-spil. For at holde sig et skridt foran syndikatets lejemordere, samtidig med at de arbejder på at forhindre en global krise, begiver disse to usandsynlige medkonspiratorer, ledsaget af katten Alfie, sig ud på en eventyrlig rejse i deres eget univers.
