Tres agentes soviéticos, Iranoff (Sig Ruman), Buljanoff (Felix Bressart) y Kopalski (Alexander Granach), llegan a París para vender las joyas confiscadas a la aristocracia durante la revolución rusa de 1917.

El conde Alexis Rakonin (Gregory Gaye), un noble ruso blanco reducido a un empleo de camarero en el hotel donde se aloja el trío, escucha los detalles de su misión e informa a la antigua Gran Duquesa rusa Swana (Ina Claire) de que las joyas de su corte van a ser vendidas por los tres hombres. Su elegante amante, el conde Leon d'Algout (Melvyn Douglas), se ofrece a ayudar a recuperar sus joyas antes de que sean vendidas.

En su suite del hotel, Iranoff, Buljanoff y Kopalski negocian con Mercier (Edwin Maxwell), un destacado joyero parisino, cuando León interrumpe la reunión. Le explica que las joyas fueron incautadas ilegalmente por el gobierno soviético y que se ha presentado una petición que impide su venta o retirada. Mercier retira su oferta de compra de las joyas hasta que se resuelva la demanda.

El amable, encantador y astuto Leon invita a los tres rusos a un almuerzo extravagante, los emborracha y se gana fácilmente su confianza y amistad. Envía un telegrama a Moscú en su nombre sugiriendo un compromiso.

Moscú, enfadado por el telegrama, envía entonces a Nina Ivanovna "Ninotchka" Yakushova (Greta Garbo), una enviada especial cuyo objetivo es ganar el pleito, completar la venta de joyas y regresar con los tres rusos renegados. Ninotchka es metódica, rígida y severa, y reprende a Iranoff, Buljanoff y Kopalski por no completar su misión.

Ninotchka y Leon se encuentran por primera vez fuera del hotel, desconociendo sus respectivas identidades. Él coquetea, pero ella no está interesada. Intrigado, Leon la sigue hasta la Torre Eiffel y le enseña su casa a través de un telescopio. Intrigada por su comportamiento, Ninotchka le dice que podría justificar el estudio y le sugiere que vayan a su apartamento. Ninotchka se siente atraída por Leon y, finalmente, se besan, pero son interrumpidos por una llamada telefónica de Buljanoff. Ninotchka y Leon se dan cuenta de que son adversarios por las joyas y ella abandona el apartamento, a pesar de las protestas de Leon.

Mientras se ocupa de los diversos asuntos legales sobre el pleito, Ninotchka se va dejando seducir por el oeste y por el persistente León, que se ha enamorado de ella y ha acabado con su resistencia. En una cena con León en la que inesperadamente se encuentra cara a cara con Swana (su rival por las joyas y por el afecto de León), Ninotchka consume champán por primera vez y se embriaga rápidamente. A la tarde siguiente, una Ninotchka con resaca es despertada por Swana y descubre que Rakonin ha robado las joyas durante la noche. Swana le dice a Ninotchka que le devolverá las joyas y dejará de lado el litigio si Ninotchka se marcha inmediatamente de París a Rusia para que Swana pueda tener a León para ella sola. Ninotchka acepta a regañadientes y completa la venta de las joyas a Mercier. Esa misma noche, Ninotchka, Iranoff, Buljanoff y Kopalski vuelan de vuelta a Moscú. Mientras tanto, Leon visita a Swana y le confiesa su amor por Ninotchka. Swana informa entonces a Leon de que Ninotchka ya ha partido hacia Moscú. Él intenta seguirla, pero se le niega el visado ruso debido a su nobleza.

Un tiempo después, en Moscú, Ninotchka invita a sus tres compañeros a cenar a su apartamento compartido y recuerdan con nostalgia su época en París. Ninotchka recibe por fin una carta de León, pero ha sido completamente censurada por las autoridades, y está desolada.

Pasa más tiempo; Iranoff, Buljanoff y Kopalski vuelven a tener problemas con sus superiores tras fracasar en su misión de vender pieles en Constantinopla. En contra de sus deseos, Ninotchka es enviada por el comisario Razinin (Bela Lugosi) para investigar y recuperar al trío.

Cuando Ninotchka llega a Constantinopla, los tres rusos le informan de que han abierto un restaurante y que no volverán a Moscú. Cuando Ninotchka les pregunta quién ha sido el responsable de esta idea, ellos señalan un balcón en el que está León. Éste le explica que le han prohibido entrar en Rusia para recuperar a Ninotchka, así que él y los tres rusos han conspirado para que ella abandone el país. Le pide que se quede con él y ella acepta encantada.

El plano final de la película es el de Kopalski llevando un cartel de protesta en el que se queja de que Iranoff y Buljanoff son injustos, porque su nombre no se ilumina en el cartel eléctrico que hay frente a su nuevo restaurante.