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제임스 본드는 첩보기관 M16으로부터 007이란 암호명을 부여받고 마다가스카에서 테러리스트 몰라카(세바스찬 푸캉)를 감시하는 임무를 맡게 된다. 임무 수행 중 상황이 급변하게 되면서 007은 상부의 지시를 어기고 테러리스트 조직에 대한 독자적인 작전에 돌입한다. 단서를 쫓아 바하마에 도착한 007은 신비한 인물 드미트리오스와 그의 애인 솔랑게(카테리나 뮤리노)를 만나게 되고, 드미트리오스가 국제 테러 조직의 자금줄인 르 쉬프르(매즈 미켈슨)와 직결되어 있음을 직감한다. 007이 르 쉬프르가 몬테네그로의 카지노 로얄에서 호화판 포커 대회를 통해 테러 자금을 모을 것이란 계획을 밝혀내자 상부는 007에게 르 쉬프르를 저지하라는 임무를 전달하고, 007의 상관 M(주디 덴치)은 007의 자금지원을 위해 여성요원 베스퍼 그린(에바 그린)을 급파한다. 처음에 그녀의 능력에 미심쩍어 하던 007이지만 함께 숱한 위험과 르 쉬프르의 고문을 겪으면서 서로 로맨틱한 관계로 발전하게 되고, 나중에 절친한 친구가 되는 CIA요원 펠릭스 라이터(제프리 라이트)까지 등장, 공동작전을 펴게 된다. 세계의 운명이 걸린 포커 대회가 진행되는 동시에 대규모 액션이 펼쳐지고, 점차 상황은 놀라운 클라이막스로 치닫게 되는데.