In einem Rückblick dringt der maskierte Lyutsifer Safin in ein abgelegenes Haus in Norwegen ein, in dem er nach Mr. White sucht, der seine ganze Familie ausgelöscht hat. Da White nicht anwesend ist, erschießt er dessen Frau. Die Tochter der Alkoholikerin, die junge Madeleine Swann, hat sich versteckt und schießt auf Safin, als sie entdeckt wird. Sie schleppt den vermeintlich Toten nach draußen, wo Safin wieder zu sich kommt. Madeleine flüchtet auf einen zugefrorenen See, bricht ein und droht unter dem Eis zu ertrinken. Unerwartet wird sie von Safin gerettet, indem er das Eis zerschießt.
In der Gegenwart, anknüpfend an Blofelds Festnahme, fahren Bond und Madeleine Swann mit dem wieder instand gesetzten Aston Martin DB5 in die süditalienische Kleinstadt Matera, wo Bond das Grab von Vesper Lynd besuchen will. Als er dort das Octopus-Symbol von Spectre entdeckt, explodiert Lynds Grab, doch er wird nur leicht verletzt. Er verdächtigt Madeleine, ihn verraten zu haben, und holt sie vom Hotel ab. Nachdem sie mehreren Verfolgern entkommen sind, setzt er Madeleine, die ihre Unschuld beteuert, am Bahnhof ab und kündigt an, sie nie mehr wiedersehen zu wollen.
Fünf Jahre später überfallen Unbekannte ein Labor in London. Sie bringen den Wissenschaftler Obruchev in ihre Gewalt und stehlen die Biowaffe Herakles, an deren Entwicklung Obruchev maßgeblich beteiligt ist. Bond hat inzwischen seinen Dienst beim MI6 quittiert und genießt auf Jamaika seinen Ruhestand. Sein alter Freund, der CIA-Agent Felix Leiter, sucht ihn dort mit seinem Kollegen Logan Ash auf, um ihn zu überreden, Obruchev zurückzuholen.
Bond lehnt ab und lernt die Agentin Nomi kennen, die als seine Nachfolgerin beim MI6 nun die „007“ trägt. Sie warnt ihn, er solle sich von Herakles und Obruchev fernhalten. Bond erfährt, dass hinter Herakles sein ehemaliger Vorgesetzter M steckt, der trotz Bedenken das Projekt fortgesetzt hat. Bond nimmt daher Leiters Angebot an und segelt nach Kuba. Dort infiltriert er mit der CIA-Agentin Paloma ein Treffen von Spectre-Mitgliedern, bei dem auch Obruchev anwesend sein soll. Ernst Stavro Blofeld leitet vom Hochsicherheitsgefängnis Belmarsh aus mit einem bionischen Auge das Treffen und befiehlt, Bond zu töten, doch stattdessen sterben alle anwesenden Spectre-Mitglieder, anscheinend durch einen sehr schnell wirkenden Erreger.
Bond findet Obruchev und verhört ihn mit Leiter und Ash auf dessen Boot. Doch Ash entpuppt sich als Verräter im Auftrag Safins, Drahtzieher des Herakles-Raubs. Bei einem Schusswechsel verwundet Ash Leiter tödlich. Er ergreift mit Obruchev die Flucht und sprengt das Boot in die Luft, dessen Untergang Bond nur knapp entkommen kann.
In London weist M zunächst Bonds Bitte ab, mit Blofeld sprechen zu dürfen. Moneypenny und Bond suchen Q auf und finden heraus, dass Herakles Nanobots sind, die wie Viren übertragen werden und nicht neutralisiert werden können. Die Nanobots sind auf die DNS einzelner oder mehrerer Zielpersonen codiert, so dass nur diese getötet werden. So wurden die verbliebenen Mitglieder von Spectre gezielt ermordet, und Blofeld ist der letzte Überlebende der Organisation. M stellt Bond wieder als Agenten ein und gestattet ihm, Blofeld zu besuchen. Madeleine wird derweil von Safin aufgesucht. Als Blofelds Psychologin hat sie Zugang zu ihm, daher zwingt Safin sie, sich mit Herakles-Nanobots zu infizieren, die auf Blofeld codiert sind. Als Druckmittel droht Safin, Bond umzubringen.
Bond und Madeleine treffen sich beim Besuch in Blofelds Gefängnis erstmals seit ihrer Trennung wieder. Hierbei überträgt Bond durch Berührung unwissentlich die Nanobots von Madeleine auf sich, bevor sie aus der Situation flieht. Blofeld enthüllt Bond, dass er die Explosion von Lynds Grab in Auftrag gegeben und dass Madeleine ihn keineswegs verraten habe. Daraufhin versucht Bond, ihn zu erwürgen. Er wird von Bill Tanner gestoppt, doch Blofeld ist nun infiziert und stirbt vor ihren Augen.
Bond besucht Madeleine in Norwegen, wo sie ihm ihre fünfjährige Tochter Mathilde vorstellt, seine Vaterschaft jedoch leugnet. Madeleine erzählt, dass ihr Vater im Auftrag von Blofeld Safins Familie ausgelöscht habe, sodass dieser aus Rache Spectre zerschlagen und Blofeld getötet habe. Die drei werden jedoch zur Flucht gezwungen, da Ash bereits auf ihrer Spur ist. Nach einer weiteren Verfolgungsjagd im Wald kann Bond Ash sowie dessen Handlanger ausschalten, muss jedoch mit ansehen, wie Safin Madeleine und Mathilde in einem Helikopter entführt.
Gemeinsam mit Nomi dringt Bond nach einem Briefing mit M in Safins Hauptquartier ein, eine ehemalige Raketensilo-Anlage auf einer Kurilen-Insel zwischen Japan und Russland. Hier bereitet Safin sich darauf vor, mit Obruchevs Hilfe die Nanobots in Massen zu produzieren, sie als ethnische Waffe zu programmieren und damit unzählige weitere Menschen weltweit zu töten. Bond und Nomi zerstören Safins Labor, töten Obruchev und befreien Madeleine und Mathilde, die von Nomi von der Insel gebracht werden.
Bond empfiehlt M den Beschuss der gesamten Anlage mit Raketen. M fordert dies beim britischen Zerstörer HMS Dragon an. Inzwischen öffnet Bond die bombenfesten Schleusentore der Silos und stellt Safin in dessen Giftgarten. Beim Kampf mit Safin infiziert dieser Bond mit Nanobots, die Madeleine und Mathilde töten würden, sollte er sie jemals wieder berühren. Bond wird schwer verwundet, doch er kann Safin töten. Er verabschiedet sich per Funk von Madeleine. Dabei bestätigt sie seine Vermutung, dass Mathilde seine Tochter ist. Bond bleibt auf der Insel und wartet auf dem Dach der Anlage auf die Ankunft der zwischenzeitlich gestarteten Raketen. Diese zerstören die Anlage vollständig.
Schließlich bringen beim MI6 M, Moneypenny, Q, Nomi und Tanner einen Toast auf Bond anlässlich seines Todes aus, während Madeleine mit Mathilde nach Matera fährt und ihr die Geschichte ihres Vaters, James Bond, erzählt.