Maxwell Smart, un analista de la agencia de inteligencia estadounidense más secreta, CONTROL, anhela convertirse en un agente de campo como su ídolo, el agente 23. A pesar de obtener las mejores puntuaciones en las pruebas de aceptación, a Smart se le niega el ascenso debido a su mayor valor como analista. Cuando el cuartel general de CONTROL es atacado por la organización terrorista KAOS, casi todas las identidades de los agentes de CONTROL quedan expuestas, dejando sólo al agente 99 como un operativo de campo viable. Smart también es ascendido a agente de campo como Agente 86, pero el experimentado 99 es reacio a asociarse con él debido a su inexperiencia. El primer día de su nuevo trabajo, Smart recibe una navaja suiza que incluye complementos especiales como un lanzallamas en miniatura y una ballesta que dispara dardos unidos a un hilo de tela de araña.

Mientras está en un avión con destino a Moscú, la agente 99 ve a un hombre de aspecto amenazante en la parte trasera. Sospecha que se trata de un asesino, pero Smart lo descarta como un perfil. Max se da cuenta de que tiene un chicle en el zapato e intenta quitárselo con una cerilla. Cuando los pasajeros suponen que Max está intentando volar el avión, es abordado por un comisario aéreo y sus manos son atadas con cremalleras. Max pide ir al baño y, mientras está dentro, intenta romper las ataduras con la ballesta de su navaja. Finalmente rompe la cremallera, pero uno de los dardos golpea el botón de "expulsión" y lo deja cayendo en picado hacia la tierra sin paracaídas. El agente 99 le sigue con un paracaídas, al igual que el asesino. Este último se ve impedido de hacer que los tres se estrellen cuando la Agente 99 lo besa, sorprendiéndolo lo suficiente como para que ella despliegue el paracaídas. El asesino se estrella en un granero, y la Agente 99 y Smart lo dan por muerto, aunque ella lo reprende por el incidente.

Los dos llegan a la mansión del jefe de fabricación de bombas de KAOS, Ladislas Krstic, durante una fiesta. Tras un intenso baile, se infiltran en la oficina principal y rastrean el material nuclear hasta una fábrica de armas nucleares de KAOS disfrazada de panadería de Moscú. Son atrapados por Krstic y sus hombres, pero los eliminan a todos con éxito. En la panadería, Smart se reúne con el jefe de KAOS, Siegfried, y su segundo al mando, Shtarker, sólo para enterarse de que un doble agente ha comprometido sus identidades. Smart consigue escapar y destruir la fábrica de armas, pero él y el agente 99 se enfrentan al mismo hombre que habían dado por muerto anteriormente. Todo parece perdido, pero Smart reconoce al hombre como Dalip, que aparecía en una grabación realizada durante la época de Smart como analista. Le da un consejo a Dalip para que arregle su malogrado matrimonio, y Dalip no tarda en dejarles marchar.

El Jefe envía al Agente 23 a observar la limpieza de la fábrica, pero KAOS saca las armas a escondidas a través del río Moskva de antemano, dejando al Agente 23 convencido de que sólo se ha destruido una panadería. Al darse cuenta de que Smart estaba solo durante sus descubrimientos clave, CONTROL cree que es el agente doble. El agente 99, que ha ido desarrollando poco a poco sus sentimientos hacia Smart, se siente desconsolado, pero lo pone bajo custodia, justo cuando empieza a sospechar que ella es el agente doble. Mientras tanto, consultando con Shtarker, Siegfried planea detonar una bomba nuclear en Los Ángeles mientras el Presidente está en la ciudad.

Siegfried se pone en contacto con el gobierno estadounidense durante una reunión a la que asisten el Jefe y el Vicepresidente y amenaza con entregar los códigos de los detonadores de las armas nucleares a los países hostiles a menos que se le pague un rescate de 200.000 millones de dólares. Los miembros de la reunión, especialmente el Vicepresidente (que tiene una intensa enemistad con el Jefe), no se toman en serio la llamada, para consternación del Jefe. Mientras Smart está en una celda de CONTROL, Dalip le envía un mensaje codificado a través del programa de radio American Top 40 haciéndose pasar por su novia, alertándole del plan de Siegfried. Smart escapa y llega a Los Ángeles para reunirse con el jefe, el agente 99 y el agente 23. Les convence de que él no es el agente doble. Mientras tanto, cuando el Presidente llega al Disney Hall para un concierto, Siegfried, Shtarker y Dalip colocan la bomba en la sala de conciertos. Cuando el reloj de Smart, equipado con un contador Geiger, detecta rastros de radiación del Agente 23, se dan cuenta de que éste es el verdadero agente doble.

El agente 23 toma como rehén al agente 99 y huye en un vehículo. Tras una persecución, Smart consigue rescatar al Agente 99, pero en el forcejeo, el coche es incendiado y obligado a caer en las vías del tren. Smart besa al Agente 23 para distraerlo, un truco aprendido del Agente 99. Él y el Agente 99 salen despedidos del vehículo antes de que éste choque con un tren de mercancías, matando al Agente 23. Tras analizar el balón de fútbol nuclear del Agente 23, Smart se da cuenta de que la bomba se activará con la nota final de la "Oda a la alegría" de Beethoven. Se apresuran a ir al Disney Hall, y Smart aborda al anciano director de orquesta justo antes de la nota final, salvando al Presidente y a Los Ángeles. Siegfried, a pesar de que su plan fracasa, está satisfecho con la actuación de Dalip y promete no matar a su mujer, como habría hecho si Dalip hubiera fallado, pero afirma que "haría un favor al mundo vidente" si lo hiciera. En respuesta, Dalip arroja a Siegfried a un río, para alegría de Shtarker.

De vuelta al cuartel general de CONTROL, se celebra una fiesta en honor de Smart, donde el agente 99 le regala un cachorro. Posteriormente, Smart recibe honores y consigue su sueño de convertirse en un verdadero espía. Mientras se marcha, Smart intenta arreglar una puerta atascada, y acaba atascado entre las puertas correderas como un plano final humorístico, y la película corta a negro, y Smart grita enfadado (fuera de la pantalla) "¡Tienes que estar bromeando!"