En el mar Mediterráneo, unos pescadores italianos rescatan a un hombre estadounidense a la deriva con dos heridas de bala en la espalda. Atienden sus heridas y descubren que no recuerda su identidad, pero que demuestra tener conocimientos avanzados de combate y dominar varios idiomas. Encuentran un proyector láser bajo la cadera del hombre que da el número de una caja de seguridad en Zúrich, y éste decide ir a investigar. Va al banco a investigar la caja de seguridad, donde encuentra varias divisas, pasaportes y documentos de identidad, y una pistola. El hombre se lleva todo menos la pistola, y empieza a utilizar el nombre del pasaporte americano, Jason Bourne.

Tras la marcha de Bourne, un empleado del banco se pone en contacto con la Operación Treadstone, un programa de operaciones encubiertas de la CIA. El jefe de Treadstone, Conklin, emite alertas a la policía para que capture a Bourne y asigna a tres agentes para que lo maten: Castel, Manheim y el Profesor. El subdirector de la CIA, Abbott, se pone en contacto con Conklin para informarle de un intento de asesinato fallido contra el dictador africano exiliado Wombosi, y Conklin le promete que se ocupará del agente que ha fracasado.

Bourne intenta evadir a la policía suiza utilizando su pasaporte estadounidense para entrar en el consulado americano, pero es perseguido por los guardias de la Marina. Escapa antes de ofrecer 20.000 dólares a Marie Kreutz, una mujer alemana de 26 años a la que vio en el consulado, para que le lleve a una dirección en París. Al llegar a la dirección, entran en un apartamento donde Bourne contacta con un hotel a través del teléfono. Allí pregunta por los nombres que figuran en los pasaportes y se entera de que está registrado un tal "John Michael Kane", que murió dos semanas antes en un accidente de tráfico. Castel tiende una emboscada a Bourne y Marie en el apartamento, pero Bourne consigue imponerse. En lugar de dejarse interrogar, Castel se lanza desde una ventana hacia su muerte. Mientras busca entre las pertenencias de Castel, Marie encuentra carteles de búsqueda de Bourne y de ella misma, y acepta ayudarle. Después de que los dos evadan a la policía en el coche de Marie, pasan la noche en un hotel de París, donde se besan y tienen sexo.

Mientras tanto, Wombosi se obsesiona con el atentado contra su vida. Conklin, habiéndose anticipado a ello, planta un cadáver para hacerse pasar por John Michael Kane en una morgue y así aparecer como el agresor, pero Wombosi sigue sin estar convencido y amenaza con denunciar las acciones de la CIA a los medios de comunicación; el Profesor asesina entonces a Wombosi por orden de Conklin. Bourne, haciéndose pasar por Kane, se entera del fallido intento de asesinato en el yate de Wombosi, y de que el asesino recibió dos disparos por la espalda durante la huida, dándose cuenta finalmente de que él fue el responsable del intento. Él y Marie se refugian en la casa de la campiña francesa de Eamon, amigo de Marie, y de sus hijos. Presionado por Abbott para que se ocupe del asunto, Conklin rastrea la ubicación de Bourne y envía al Profesor a matarlo. El Profesor es herido de muerte por Bourne, y revela su conexión compartida con Treadstone antes de morir. Bourne envía a Marie, Eamon y los niños lejos para su protección, y luego se pone en contacto con Conklin a través del teléfono del Profesor, y acuerdan reunirse a solas en París. Cuando Bourne ve que Conklin no está solo, abandona el encuentro, pero consigue colocar un dispositivo de seguimiento en el coche de Conklin, lo que lleva a Bourne al piso franco de Treadstone en París.

Bourne entra y retiene a Conklin y al técnico de logística Nicky Parsons a punta de pistola. Conklin revela a Bourne su asociación con Treadstone y le presiona para que recuerde su pasado. Bourne recuerda su intento de asesinar a Wombosi a través de sucesivos flashbacks: bajo las órdenes de Treadstone, Bourne se infiltró en el yate de Wombosi como Kane y consiguió acercarse lo suficiente para asesinarlo. Sin embargo, Bourne no tuvo el valor de matar a Wombosi mientras sus hijos estaban presentes, y en su lugar huyó, siendo disparado durante su huida. Bourne anuncia que renuncia a Treadstone y advierte a Conklin que no le siga. Mientras los agentes descienden al piso franco, Bourne se abre paso. Cuando Conklin sale del piso franco, se encuentra con Manheim, que lo mata por orden de Abbott. Abbott cierra entonces Treadstone.

Abbott informa a un comité de supervisión de que Treadstone está "fuera de servicio" antes de que se hable de un nuevo proyecto con nombre en clave "Blackbriar". Algún tiempo después, Bourne encuentra a Marie alquilando scooters a turistas en Mykonos, y ambos se reúnen.