En diciembre de 1941, la ocupación alemana en Europa se acerca a su punto álgido. Dos agentes del gobierno checoslovaco en el exilio, un soldado eslovaco, Jozef Gabčík (Cillian Murphy) y un checo, Jan Kubiš (Jamie Dornan) son lanzados en paracaídas en su país ocupado. Jozef resulta herido al estrellarse contra un árbol al aterrizar, pero ambos se disponen a encontrar a su contacto en el movimiento de resistencia. Poco después son descubiertos por falsos resistentes que resultan ser traidores; uno de ellos es abatido por Jozef, pero el otro escapa. Robando su camión, los agentes se dirigen a Praga.

Cuando buscan a su contacto, se dirigen al Dr. Eduard (Sean Mahon), un cirujano veterinario que cose el pie de Jozef, y les organiza un encuentro con otros miembros de la resistencia, dirigidos por el "tío" Jan Zelenka-Hajský (Toby Jones). Se encuentran en un sótano oculto de la Catedral de los Santos Cirilo y Metodio de Praga. Gabčík y Kubiš les revelan que deben llevar a cabo la "Operación Antropoide", el asesinato de Reinhard Heydrich (Detlef Bothe), principal artífice de la Solución Final y Reichsprotektor de la Checoslovaquia ocupada por Alemania.

Con unas fuentes de información y un equipo limitados, Jozef y Jan deben encontrar la manera de asesinar a Heydrich, una operación que esperan que cambie la faz de Europa. Con la ayuda de dos mujeres jóvenes, Marie Kovárníková (Charlotte Le Bon) y Lenka Fafková (Anna Geislerová), junto con otros conspiradores, los agentes planean tender una emboscada a Heydrich cuando llega a su cuartel general en coche. Cuando los agentes se enteran de que Heydrich está a punto de ser trasladado a Francia, el plan se pone en marcha inmediatamente con el dúo reforzado por la incorporación de otros agentes que han sido lanzados en paracaídas en Checoslovaquia y los combatientes de la resistencia que quedan en Praga.

El 27 de mayo de 1942 se lleva a cabo el intento de asesinato, que estuvo a punto de fracasar cuando la metralleta Sten de Jozef se atascó, pero Heydrich resultó gravemente herido por la granada de Jan, que destrozó su limusina. Inmediatamente después, ambos agentes se dan a la fuga. En respuesta, las fuerzas de seguridad de las SS reúnen a miles de ciudadanos checos y llevan a cabo represalias, durante las cuales Lenka es asesinada al intentar escapar del arresto nazi. Heydrich no tarda en morir de sus heridas en el hospital.

Las represalias continúan con la destrucción del pueblo de Lidice, el fusilamiento de todos los varones mayores de 16 años y el envío de las mujeres y los niños a campos de concentración. La familia con la que se alojaban Jozef y Jan es castigada y su casa es atacada por numerosos agentes de la Gestapo. La madre se suicida tomando una pastilla de cianuro. El hijo es brutalmente torturado y revela el escondite de Jozef y Jan. Cientos de tropas asaltan la catedral donde todos los agentes, incluidos Jozef y Jan, mueren en una feroz batalla de seis horas, junto con muchos soldados alemanes. En 1947, el combatiente de la resistencia Karel Čurda (Jiří Šimek) fue condenado y ejecutado por entregar a sus compañeros agentes de la resistencia por la recompensa ofrecida.

Finalmente, un total de 5.000 checos y eslovacos fueron asesinados tras el "Terror de Heydrich". El asesinato de Heydrich fue el único atentado organizado con éxito por los Aliados contra un alto cargo nazi en la Segunda Guerra Mundial.