En février 1965, en pleine guerre froide, un projet soviétique impliquant une bombe orbitale menace de faire basculer l'équilibre géopolitique mondial. Les services secrets français recrutent Francis Mareuil, ingénieur aérospatial, pour infiltrer et recruter Boris Golubev, le scientifique russe dont les recherches ont rendu possible cette arme redoutable. À Moscou, le KGB place Boris sous étroite surveillance en contraignant sa propre fille Lyudmila à espionner son père pour le compte des services secrets soviétiques. Francis, en mission à Berlin-Est puis à Moscou, se rapproche de Lyudmila sans savoir qu'elle est elle-même liée au KGB, donnant naissance à une histoire d'amour dont la sincérité reste constamment mise en doute par les enjeux politiques qui les dépassent tous deux.