Andre verdenskrig herjer når den skotske kvinnen Charlotte Gray forelsker seg i en britisk RAF-pilot. Han kommer ikke tilbake fra et farlig oppdrag i Frankrike, og hun bestemmer seg for å lete etter ham. Hun farger håret og skifter navn, og reiser til landsbyen Lavaurette på oppdrag fra den britiske motstandsbevegelsen. I løpet av tiden konfronteres hun med en hemmelighet som truer med å kaste mørke skygger over resten av livet hennes.
