Una giovane Madeleine Swann assiste inerte all'omicidio di sua madre da parte di un uomo mascherato. Quest'ultimo vuole infatti vendicare lo sterminio dei suoi genitori, in quanto il responsabile era il padre di Madeleine. La ragazzina inizialmente corre a nascondersi dentro la sua cameretta dopo aver preso la pistola che suo padre teneva sotto il lavandino del bagno. Ma quando è scovata dall'uomo misterioso a causa dello squillo di un Tamagotchi, è costretta a impugnare l'arma e a sparare diversi colpi contro l'intruso. Apparentemente morto, pochi istanti dopo questi riprende conoscenza, così la piccola Madeleine tenta la fuga attraversando un lago ghiacciato. Tuttavia la superficie del ghiaccio cede, facendo sprofondare Madeleine sotto di esso. Nonostante il killer abbia la possibilità di uccidere anche lei, decide di risparmiarle la vita, rompendo il ghiaccio e salvandole la vita.
Nel presente, Madeleine è a Matera, in Italia, con James Bond dopo la cattura di Ernst Stavro Blofeld. Dopo aver trascorso la notte in un hotel del posto, Bond va a far visita alla tomba di Vesper Lynd onde chiudere definitivamente col passato e vivere la sua nuova storia d'amore. Poco dopo l'uomo nota e raccoglie da terra una piccola busta bianca con il simbolo della SPECTRE e, aprendola, fa esplodere la tomba. Miracolosamente sopravvissuto, James si rende conto di essere caduto in un'imboscata tesa dagli assassini dell'organizzazione e, dopo un breve scontro con l'uomo a capo dell'assalto, Primo, egli torna in albergo e costringe Madeleine a seguirlo, il che dà luogo ad un inseguimento in auto. Bond, rimasto precedentemente suggestionato dalle parole di Primo che indicavano Madeleine come loro presunta complice e poi da una chiamata di Blofeld che si congratula con la ragazza per aver messo il fratellastro in trappola, accusa Swann di averlo tradito e di appartenere alla SPECTRE, e la costringe ad andarsene su un treno.
Cinque anni dopo, un gruppo di sicari guidato da Primo fa irruzione in un laboratorio dell'MI6 per rapire Waldo Obruchev, uno scienziato russo che ha sviluppato il "Progetto Heracles", micidiale agente patogeno di ultima generazione. Il rapimento dello scienziato è però una mezza farsa orchestrata da un certo Lyutsifer Safin per far entrare lo stesso Obruchev nella sua organizzazione criminale. Infatti lo aveva corrotto poco prima dell'assalto, informandolo telefonicamente dell'arrivo dei suoi "sequestratori", i quali, una volta presi Obruchev e Heracles, fanno saltare i laboratori.
La notizia del rapimento di Obruchev e dell'esplosione giunge subito all'MI6, così Garreth Mallory (alias M) intima al personale di far passare il disastro come una fuga di gas. Nel frattempo Bond si è ritirato a Port Antonio, in Giamaica, dove, dopo anni di assenza dal servizio operativo, viene contattato dall'agente della CIA Felix Leiter, che è accompagnato da Logan Ash, un collega agente americano. Chiedono aiuto per rintracciare Obruchev, ma Bond rifiuta. Quella notte Bond viene rintracciato da Nomi, che gli è succeduta come il nuovo 007 e lo informa del Progetto Heracles. Bond contatta M e lo rimprovera, in quanto Heracles era stato commissionato proprio da lui, così Bond decide di accettare la richiesta di aiuto fatta da Leiter.
Bond, Leiter e Ash volano a Cuba e incontrano Paloma, un'alta agente della CIA alleata con Leiter. Bond e Paloma si infiltrano in un incontro della Spectre con l'obiettivo di recuperare Obruchev, ma si tratta di una trappola. Blofeld, dagli altoparlanti, ordina di uccidere Bond con Heracles, ma una volta che essa è impiegata sono i membri della Spectre a finire uccisi. Obruchev infatti aveva riprogrammato la sua invenzione per eliminare i membri dell'organizzazione, salvando di fatto la vita a Bond. In seguito entrambi incontrano Felix e Ash su un'imbarcazione. Ash si rivolta contro di loro e spara a Leiter, fuggendo con Obruchev. La barca viene fatta saltare in aria e Leiter perde la vita nonostante gli sforzi dell'ex 007 per salvarlo. Malgrado questo fallimento, Bond riesce a fuggire.
Tornato a Londra, Bond incontra M, il quale rifiuta il suo aiuto. Moneypenny va con Bond a casa di Q e insieme scoprono che Heracles è una bioarma costituita da eserciti di nanobot altamente specializzati, i quali, come un virus altamente contagioso, possono essere trasmessi da persona a persona al minimo contatto con la pelle. Per colpire, essi vanno codificati in base al genoma (da non confondere col codice genetico) dell'individuo che si vuole eliminare. Ciò significa che tale arma risulta mortale solo se programmata usando come stampo il DNA degli obbiettivi, mentre chiunque altro vi entri in contatto ne sarebbe solo un portatore, che comunque potrebbe uccidere la vittima designata semplicemente toccandola. Inoltre si scopre che Blofeld è rinchiuso nella prigione di Belmarsh e un incontro con lui viene fissato. Safin visita Madeleine e, dopo essersi rivelato come l'assassino di sua madre, la costringe ad infettarsi coi nanobot programmati per uccidere Blofeld. Bond incontra Madeleine presso la cella dell'ex capo della Spectre e le afferra un braccio, infettandosi inconsapevolmente. Una Madeleine inorridita se ne va prima di incontrare Blofeld. Una volta che quest'ultimo è a tu per tu con Bond, rivela di aver deliberatamente messo in scena l'imboscata in Italia cinque anni prima, e che dunque non era stata Madeleine a tradirlo. Infuriato per questa rivelazione, Bond cerca di strangolare Blofeld, ma pur trattenendosi dall'andare fino in fondo, avendolo toccato, involontariamente ne provoca la morte coi nanobot.
Bond rintraccia Madeleine nascosta nella sua casa d'infanzia in Norvegia. Lì scopre che Madeleine ha una figlia di cinque anni, Mathilde, ma lei sostiene che non è lui il padre. Madeleine poi gli parla di Safin, e di come l'assassinio dei suoi genitori lo abbia spinto a vendicarsi di Mr. White e dell'intera Spectre. Notando che Nomi, che stava seguendo Logan Ash, si sta dirigendo verso la sua posizione, Bond capisce che gli uomini di Safin sono in procinto di raggiungere l'abitazione di Madeleine, quindi i tre fuggono e vengono inseguiti attraverso la campagna. Bond elimina gli assalitori, tra cui Ash, ma Safin rapisce Madeleine e Mathilde.
Q, Bond e Nomi individuano Safin in un bunker missilistico della seconda guerra mondiale su un'isola tra Giappone e Russia. Usano un aereo per infiltrarvisi e apprendono che Safin ha intenzione di usare i nanobot come arma biologica contro milioni di persone sparse su tutto il pianeta. Nomi prende in ostaggio Obruchev e successivamente lo uccide gettandolo in una vasca tossica, mentre Bond cerca Safin, il quale ha Mathilde con sé. Dopo averlo raggiunto, Safin afferma che Mathilde è la figlia dell'agente britannico, al che Bond, dopo aver finto di sottomettersi per tutelare l'incolumità della bambina, spara a tutti gli uomini di Safin presenti nella stanza, ma questi riesce a fuggire portando via Mathilde. La piccola però lo morde e, dopo che lui le permette di allontanarsi, si riunisce con sua madre e Bond. I tre incontrano quindi Nomi, che porta con sé le due francesi a bordo di una barca.
Bond rimane ad aprire gli scudi protettivi dei laboratori, così da garantire il successo dell'attacco missilistico ordinato da M: al largo, una nave da guerra britannica è infatti pronta a far fuoco sul sito. Nel mentre però, Bond subisce l'agguato di Safin, che lo ferisce sparandogli ripetutamente. Nel breve combattimento corpo a corpo che segue, Safin rivela di aver appena infettato Bond con dei nanobot codificati col genoma di Madeleine e di Mathilde. Da questo momento, se Bond dovesse toccarle di nuovo, le ucciderebbe. Una volta eliminato Safin e aperte le protezioni, l'agente britannico accetta che, come rivelato in precedenza da Q, non potrà mai liberarsi dei nanobot di cui adesso è portatore. Dunque abbandona ogni remora e decide di sacrificarsi per la sua famiglia attendendo i missili.
Mentre esce dalla sala di comando per salire su un tetto e contemplare l'orizzonte dall'alto, Bond contatta Madeleine via radio per darle il suo addio, cosa che fa intuire alla donna la situazione: al suo arrivo sull'isola, Safin le aveva mostrato una fiala di Heracles ricavata usando il suo DNA. James le dichiara per l'ultima volta il suo amore e la incoraggia a continuare a vivere, dicendole che lei ha tutto il tempo del mondo. Madeleine allora ammette finalmente che Mathilde ha i suoi occhi, confermando che il padre è proprio lui. Bond dice le sue ultime parole mentre vede i missili in procinto di colpire: « Lo so ». A quel punto avviene il bombardamento: la fabbrica di Heracles viene distrutta e Bond muore nell'attacco.
Nell'ufficio di M, il personale dell'MI6 commemora Bond, mentre Madeleine porta Mathilde a Matera. In macchina, lungo la strada, inizia a raccontarle la storia di suo padre, l'uomo chiamato Bond, James Bond.
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