En 1942, durant le second conflit mondial, Charlotte Gray, une jeune Écossaise d'Edimbourg, se rend à Londres pour contribuer à l'effort de guerre. Là, elle fait la rencontre de Peter Gregory, un pilote de l'Armée de l'air britannique, dont elle tombe follement amoureuse. Mais ce dernier est porté disparu après que son avion a été abattu au-dessus du sol français.
