L'aventure démarre en Russie dans la région d’Arkangelsk vers la fin de la guerre froide. 007 infiltre un laboratoire chimique accompagné de son collègue l'agent 006, Alec Trevelyan. Ils posent des mines à retardement sur des conteneurs de gaz toxique. Tout se passe sans encombre jusqu’à ce que l’alarme soit donnée. C’est alors qu’arrivent des soldats, commandés par le très imposant colonel Ourumov. Trevelyan est abattu sous les yeux de Bond. Celui-ci parvient à s'enfuir et change la minuterie des explosifs en la faisant passer de 6 minutes à 3 minutes.
À l'extérieur du complexe, il court sur une piste d’avion et parvient à vider le pilote d’un petit aéroplane, lequel continue son chemin dans le vide. Se jetant dans le ravin, Bond rattrape l’avion et se met aux commandes de celui-ci avant qu’il ne s’écrase. À ce moment, le laboratoire explose.
Neuf ans plus tard, au cours d’une poursuite en voiture à Monte-Carlo, Bond fait la connaissance de Xenia Onatopp, une femme au charme indéniable. Elle est suspectée de faire partie d’un groupe trafiquant d'armes contrôlé par Janus. Le lendemain, au cours d’une cérémonie d’inauguration d’un nouvel hélicoptère, le Tigre, capable de résister aux radiations électromagnétiques et à la détection des radars, Xenia prend la place d’un des pilotes et vole l’engin.
Peu de temps après, toujours en Russie, dans le bunker du Centre de contrôle d’armes spatiales de la région de Severnaia, Natalya Simonova travaille pendant que Boris Grishenko s’amuse à pirater le site du ministère américain de la justice. C’est alors que le Tigre se pose sur le sol devant l’entrée du bunker. En descendent Xenia et Ourumov. Ce dernier exige la carte d'activation du satellite GoldenEye, puis Xenia tue tous les techniciens présents. Natalya réussit à se cacher pendant le massacre.
Ourumov commande la destruction du bunker dans le but de faire croire à une attaque terroriste. Natalya parvient à sortir du bunker avant sa destruction. Le MI6 est alerté par satellite de l'attaque contre le bunker. Il repère le passage du Tigre et la destruction du bunker. Il n’y a apparemment pas de survivant, Natalya exceptée. Janus est alors soupçonné.
À Saint-Pétersbourg en Russie, Ourumov, devenu général depuis la destruction d'Arkangelsk, présente les résultats de son enquête au ministre de la sécurité, Dimitri Mishkin. Il en conclut qu’il s’agit de séparatistes sibériens cherchant à déstabiliser le gouvernement. Il démissionne à cause du peu de moyens dont il dispose.
Au quartier général du MI6, Q fait essayer de nouveaux gadgets à James Bond. La nouvelle BMW dispose d’un radar et de missiles. Une ceinture dissimulant 25 mètres de corde et un stylo grenade lui sont aussi confiés. 007 part alors pour Saint-Pétersbourg à la recherche de Janus. Il entre en contact avec Valentin Zukovsky, un ancien membre du KGB qui aurait des informations sur ce terroriste mystérieux. Il lui apprend qu’il s’agit d’un cosaque de Lienz très puissant qui a toujours eu une dent contre l’Angleterre.
La scène suivante se passe dans une piscine intérieure. Comme le danger est partout, Bond retrouve Onatopp dont il va se servir pour arriver jusqu’à Janus. Après un corps à corps mortel, Bond parvient à échapper aux griffes de Xenia et découvre qu'elle a rendez-vous dans un parc à statues.
Peu après, la voiture de Bond se gare dans le parc. L’hélicoptère Tigre est posé au milieu. 007 parcourt le parc et tombe nez à nez avec Janus qui n’est autre que… 006 !
Les parents des deux agents sont morts pendant leur jeunesse, mais des souvenirs sont un jour revenus à l'esprit de Trevelyan. Ses parents étaient des cosaques de Lienz qui ont aidé Hitler pendant la Seconde Guerre mondiale, puis ont été poursuivis par le gouvernement de Staline plus tard. Ils ont alors voulu se réfugier en Angleterre, laquelle les a renvoyés en URSS, où ils furent alors exécutés.
Janus veut maintenant prendre sa revanche, tant pour ses parents que pour son visage à moitié brûlé à cause de l’explosion des mines à retardement, neuf ans plus tôt. 007, piqué par une fléchette anesthésiante, s’écroule alors. Il se réveille attaché dans le Tigre programmé en mode autodestruction, Natalya à l’arrière. Bond parvient à lancer le moteur du Tigre et à appuyer sur le bouton d'éjection juste avant qu’il n’explose. À leur retour sur terre, ils sont encerclés par des soldats qui les emmènent dans un bâtiment du gouvernement.
Natalya et Bond, enfermés dans une cellule, reçoivent la visite de Dimitri Mishkin venu les interroger. L'informaticienne raconte sa version des faits à Servernaia. Mishkin apprend que Ourumov en est le responsable quand ce dernier entre dans la cellule et tue le ministre. Bond le frappe et parvient à s’enfuir. Natalya n’arrive pas à le suivre et se fait attraper par les soldats du traître. Ils décident de l’emmener dans le train blindé de Janus pour la détenir en otage. Bond les poursuit à bord d’un char d'assaut dans les rues de Saint-Pétersbourg, défonçant tout sur son passage.
Le train démarre avec à son bord Onatepp, Trevelyan, Ourumov et Natalya. Il roule à pleine vitesse quand le train frappe soudain le char d'assaut abandonné en plein milieu de la voie ferrée. Le train déraille et 007 prend son ancien équipier en otage. De leur côté, Trevelyan et Onatepp parviennent à s’enfuir et à embarquer dans un hélicoptère. Bond tue Ourumov qui tenait Natalya en otage. À ce moment, un blindage de 2,5 cm recouvre les vitres, rendant la fuite du train impossible et une procédure d’autodestruction se met en marche. Bond perce le plancher du train avec la montre laser pendant que l'informaticienne se met sur les traces de Boris pour trouver la destination de Janus et sa base secrète. Ils s’échappent du train avant qu’il n’explose.
Bond se retrouve à Cuba, sur une petite route de campagne. Un avion se pose devant sa voiture. Il l'échange contre un aéroplane dans le but de survoler le périmètre et trouver la base secrète de Janus. En cherchant une antenne parabolique de la taille d’un stade de football, il trouve un lac ordinaire. Soudain, un missile sort de l’eau et atteint l’avion qui s’écrase dans la jungle. Un hélicoptère, avec à son bord Xenia, rejoint Bond un peu plus tard. Elle en descend pour tenter de l'assassiner, mais se fait tuer par celui-ci. C’est alors que l'antenne parabolique géante sort de l’eau.
Bond et Natalya se glissent dans le centre de contrôle, sous l’antenne. Trevelyan et l’informaticien Boris sont en train de programmer le satellite GoldenEye pour un tir contre Londres. Le système est armé et le compte à rebours démarre. Natalya se faufile par une échelle pour trouver un ordinateur et repositionner le tir. Bond, quant à lui, se bat contre une des soldats et a juste le temps de dissimuler des mines télécommandées sur des silos cryogéniques avant de se faire prendre. Il est conduit à Trevelyan pendant qu'une équipe recherche Natalya. Trevelyan désactive les mines et prend possession des gadgets de Bond. Natalya est prise, mais a le temps de changer les codes d’accès.
Le but du cosaque est de pirater les banques britanniques pour virer l’argent sur un autre compte, puis ensuite d’effectuer un tir de GoldenEye, ce qui grillerait tout les systèmes informatiques, supprimant ainsi toute trace de la transaction, mais aussi les fichiers de la bourse et de la police, plongeant le pays et la Terre dans une crise financière terrible.
Boris, qui s’aperçoit que les codes ont été changés, repositionne tout. Il tape sur le clavier d’une main et joue avec le stylo explosif de Bond de l’autre. Soudain, il actionne la grenade, 007 l’attrape et la lance contre les silos où les mines étaient accrochées. L'explosion permet à 007 et Natalya de s’enfuir. Il ne reste plus qu'une seule voie pour arrêter Janus : empêcher le repositionnement de l’antenne afin qu’elle ne puisse plus diriger le satellite.
Bond doit empêcher le repositionnement s’il veut empêcher GoldenEye de tirer. Le combat entre l'ex-006 et 007 se fait en haut de l’antenne même. Boris, de son côté, casse les codes de Natalya et met en route le processus de repositionnement de l’antenne. à ce moment, les silos cryogéniques explosent et le liquide frigorifiant congèle sur place Boris.
Pendant ce temps sur l’antenne, le combat se finit sur une petite passerelle retenue par une échelle au milieu du vide. Après un court combat, Bond tient Trevalyan par un pied et le lâche dans le vide. Le satellite GoldenEye entre dans l’atmosphère terrestre, fond et explose. Les câbles qui tiennent l’antenne lâchent et celle-ci s’écroule sur le centre de contrôle.
Juste avant cela, Natalya a réussi à prendre un pilote d’hélicoptère en otage. Elle sauve 007 d'une mort certaine.