1989, Berlijn. Vlak voor de val van de Berlijnse muur wordt een MI6-agent dood aangetroffen. Op zak had hij waardevolle informatie: een lijst met alle namen en details van Amerikaanse, Engelse, Russische en Franse spionnen. De lijst is echter verdwenen.

Lorraine Broughton, een doorgewinterde spionne zonder banden met Berlijn, wordt er door de MI6 op uit gestuurd om de lijst te vinden en zowel haarzelf als de wereldwijde geheime diensten te beschermen.

Atomic Blonde combineert het beste van de Bond- en Bourne-films, met het belangrijke verschil dat de geheim agent in kwestie een vrouw is. De vele gevechten zijn er overigens niet minder smerig en bloederig om. De platinablonde en dodelijke Broughton wordt met verve gespeeld door Charlize Theron, die ook producent van de film was. Gebaseerd op de graphic novel The Coldest City van Antony Johnston.