Året er 1942 og Anden Verdenskrig raser, da den unge Charlotte Grays elskede RAF-pilot skydes ned over Frankrig. I sin søgen efter ham, lader Charlotte sig erhverve til den franske modstandsbevægelse. 

Under dæknavnet Dominique kaster hun sig ud i faldskærm ned bag fjendens linjer i det sydlige Frankrig, hvor hun møder Julien, en leder af den lokale modstandsbevægelse. Her kommer hun til at virke som forbindelsesled mellem den britiske regering og modstandbevægelsen. 

Krigen udvikler sig og således gør Charlotte og Juliens forhold, og hendes store engagement får jagten på hendes elskede pilot til at glide i baggrunden til fordel for hendes heroiske missioner, der til sidst bringer Charlotte og Julien på en livsfarlig flugt. 

Tilbage i London er Charlotte Gray splittet mellem den forsvundne pilot, hvis spor hun fulgte til Frankrig, og de mennesker hun undervejs i sin søgen kom meget tæt på.