Rachel, eine Undercover-Agentin des Mossad, wird in den Iran geschickt. Dort soll sie den Geschäftsmann Farhad Razavi ausspionieren, der vermutlich am staatlichen Atomprogramm mitwirkt. Doch Rachel verliebt sich in ihre Zielperson.

Dieser Anruf kommt vollkommen unerwartet. Seit über einem Jahr hat der ehemals für den israelischen Geheimdienst Mossad tätige Brite Thomas (Martin Freeman) nichts von Rachel (Diane Kruger) gehört. Die junge Agentin gehörte zu den Besten seines Teams und wurde für einen Undercover-Einsatz in den Iran geschickt. Dort lässt sich Rachel als Englischlehrerin in Teheran nieder und nimmt Kontakt auf mit ihrer Zielperson Farhad Razavi. Angeblich versorgt der Manager eines Elektronikunternehmens das Militär mit Technik für das staatliche Atomprogramm. Mit der Zeit wird Rachels Einsatz immer anspruchsvoller und gefährlicher. Dann verliebt sich Rachel in Farhad - den Mann, den sie beschatten soll. Die Agentin beginnt, an sich selbst und ihrer Aufgabe zu zweifeln. Obwohl sie ihre Spionagetätigkeit fortsetzt, schöpft Thomas Verdacht. Rachel könnte die ganze Mission in Gefahr bringen. "Die Agentin" ist mehr als nur ein spannender Spionage-Thriller. Der israelische Filmemacher Yuval Adler nutzt die Geschichte um das mysteriöse Verschwinden der Agentin Rachel auch dazu, die Charakterstudie einer innerlich zerrissenen Frau zu entwerfen. Rachel (eindrucksvoll gespielt von Hollywood-Star Diane Kruger) wird durch ihre Lügen, dem Vorspiegeln falscher Tatsachen und ihren wechselnden Identitäten zur Getriebenen und Entwurzelten. Martin Freeman ("Momo") spielt Rachels Kollegen und Betreuer Thomas.