En 1943, la escocesa Charlotte Gray (Blanchett) se lanza en paracaídas detrás de las líneas enemigas en la zona ocupada del sur de Francia. Ha sido reclutada por el gobierno inglés para unirse a un grupo local de la Resistencia que utiliza tácticas de guerrilla para enfrentarse al ejército alemán de ocupación. Pero lo que ella pretende es encontrar a su novio Peter (Penry-Jones), un piloto inglés, cuyo avión fue abatido. Charlotte ingresa en el comando de la Resistencia que dirige Julian Levade (Crudup) y a partir de entonces su vida empieza a cambiar.

Durante el invierno de 1952, las autoridades británicas entraron en el hogar del matemático, analista y héroe de guerra Alan Turing, con la intención de investigar la denuncia de un robo. Al final acabaron arrestando a Turing acusándole de indecencia grave, un cargo que le supondría una devastadora condena por una ofensa criminal: ser homosexual. Los oficiales no tenían ni idea de que en realidad estaban incriminando al pionero de la informática actual. Liderando a un heterogéneo grupo de académicos, lingüistas, campeones de ajedrez y oficiales de inteligencia, se le conoce por haber descifrado el código de la inquebrantable máquina Enigma de los alemanes durante la Segunda Guerra Mundial.