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Nel 1963, in piena Guerra Fredda, l'ex ladro d'arte ed agente della CIA Napoleon Solo fa fuggire da Berlino Est Gaby Teller, figlia dell'ex scienziato nazista, poi messosi al servizio degli Stati Uniti, Udo Teller, scomparso da lungo tempo e recentemente avvistato a Roma. I due riescono a sfuggire rocambolescamente a Illya Kuryakin, agente del KGB dall'infanzia tormentata, segnata dalla deportazione del padre in un gulag.

Giunto a Berlino Ovest, Napoleon viene informato che lo zio di Gaby, Rudi, lavora per la compagnia di navigazione gestita da Alexander e Victoria Vinciguerra, una giovane coppia di simpatizzanti nazisti, intendono sfruttare le conoscenze di Udo per costruire una propria bomba atomica. Intuendo le proporzioni mondiali di questa minaccia, la CIA ed il KGB non possono fare altro che unire le forze, affidando a Solo e Kuryakin il compito di fermare i Vinciguerra e, segretamente, di recuperare un nastro magnetico contenente le ricerche di Udo, anche a costo di uccidere il proprio compagno di squadra.

Illya, Gaby e Napoleon giungono a Roma, fingendosi rispettivamente una coppia di fidanzati ed un commerciante d'arte, conoscendo ad una festa i coniugi Vinciguerra e lo zio Rudi. Grazie ad uno speciale sviluppo delle foto, Kuryakin scopre che i due hanno avuto recentemente a che fare con elementi radioattivi, quali l'uranio impoverito. Insieme a Solo, tenta di infiltrarsi nella sede della compagnia..