Il y a 15 ans, Erik Heller a sauvé un bébé, Hanna, d'un bâtiment secret en Roumanie. Depuis, ils vivent au cœur de la forêt polonaise. Erik a appris à Hanna à devenir une remarquable tueuse et chasseuse. Mais, voulant découvrir le monde, elle décide de partir. Ce qui attire l'attention de Marissa Wiegler, agent de la CIA, qui traque Hanna depuis sa naissance.

Après sa capture par les hommes de Marissa, Hanna doit s'échapper du complexe marocain de la CIA pour retrouver Erik à Berlin. Elle fait la rencontre de Sophie, une ado britannique en vacances avec sa famille, qui lui fera goûter pour la première fois aux plaisirs de la vie et au frisson de l'adolescence. Mais malgré cette bribe de normalité, la menace permanente de Marissa n'est jamais très loin.

Hanna et Erik sont enfin réunis à Berlin. Ils trouvent une planque chez un vieux compagnon d'armée d'Erik, où Hanna en apprend davantage sur le passé de son père. Hanna souhaite regoûter à la vie normale qu'elle a entrevue grâce à Sophie, mais sa frustration s'accroît à chaque règle imposée par son père. Erik sent l'étau de la CIA se refermer sur lui. Son ami et lui préparent leur offensive.

Alors qu'Erik retient Marissa prisonnière, il tente de passer un accord avec elle pour quitter Berlin avec Hanna. De son côté, Hanna se cache chez Dieter et sa famille. Prête à tout pour savoir ce que trafique son père, Hanna finit par apprendre un secret colossal sur son propre passé. Mais tandis qu'un plan d'évasion commence à prendre forme, Marissa cherche elle aussi à s'échapper.

Toujours sous le choc de ses découvertes sur Erik, Hanna se cache dans la banlieue de Londres grâce à son amie Sophie. Cette dernière persuade Hanna de se rendre à une soirée de lycée. Pour la première fois, Hanna goûte à la fougue de la jeunesse. De son côté, l'ami d'Erik tente désespérément de panser ses blessures.

La relation entre Hanna et Sophie tourne au vinaigre car elles apprécient le même garçon, Anton. Après leur dispute, Marissa débarque chez les parents de Sophie en se faisant passer pour la mère d'Hanna. Doit-elle mettre en danger Sophie et sa famille, ou bien renoncer à sa liberté et suivre Marissa ? De son côté, Erik subit un interrogatoire musclé de la part de Sawyer et ses hommes.

Ayant conscience qu'Hanna n'acceptera rien d'autre que la vérité, Erik la conduit en Roumanie sur les traces de son passé. Pendant de temps, Marissa a le sentiment que Sawyer n'a pas été totalement franc avec elle au sujet d'Utrax.

Lorsqu'Erik dévoile la vérité à propos d'Utrax, Hanna est bien décidée à agir. De son côté, Marissa cuisine Sawyer afin d'apprendre ce qu'il s'est véritablement passé dans ce complexe.

Hanna se cache avec Clara dans les forêts Roumaines pendant que les autres stagiaires sont transférées aux Meadows, un nouveau centre de formation, où elles se verront attribuées chacune d'une nouvelle identité. Marissa tend un piège à Clara en se faisant passer pour sa mère et l'invite à Bucarest. Clara se fait capturer par Utrax et Hanna, qui la suivait, se retrouve face à face avec Marissa.

Marissa et Hanna sont de retour à Paris alors que Clara intègre le Meadows. Vu son caractère difficile, Terri a pour mission de la persuader de rejoindre le programme. En recherchant Clara, Hanna découvre le groupe pharmaceutique fournissant les implants médicaux à Utrax et décide de prendre part à leurs essais cliniques. Elle découvrira que leurs produits sont destinés aux stagiaires du Meadows.

Hanna retourne chez Passway et suit Dumont avec sa cargaison, sachant qu'il se rend aux Meadows. Marissa découvre que Sonia est en Belgique, retrouve Hanna in extremis et tue Sonia. Hanna arrive aux Meadows pour sauver Clara mais elle découvre que les méthodes de Terri pour retourner Clara ont fonctionné et elle décide d'y rester.

Marissa retrouve Hanna au Meadows et lui assure qu'elle est de son côté et qu'elle va l'aider à s'évader le soir même. Hanna convainc Clara de se joindre à elle mais l'amitié naissante des camarades de Clara la pousseront à trahir Hanna et à redonner l'avantage à Carmichael. De son côté, Mannion, un agent de la CIA localise le Meadows, mais ne trouve ni Hanna, ni Marissa.

Marissa est faite prisonnière aux Meadows pendant qu'Hanna découvre peu à peu sa nouvelle identité sous le nom de Mia Wolff. Dans la foulée, Terri aide Hanna à faire le deuil d'Erik. Marissa s'enfuit et convainc Hanna de venir avec elle, mais Clara s'interpose. Elle tire sur Marissa et dit à Carmichael que c'est Hanna qui l'a fait pour la stopper, et lui permettre de rester aux Meadows.

Hanna et Jules sont envoyées sur leur première mission pour tuer à Londres une journaliste devant fournir des documents impliquant Utrax à un avocat militaire. Sandy et Clara sont à Barcelone afin de s'emparer des preuves. Hanna essaie de faire marche arrière et s'allie à Mannion afin de sauver la vie de Nicola mais Jules et Leo ont une longueur d'avance et les conséquences seront désastreuses.

Hanna arrive à Barcelone pour sauver Gelder et convaincre Clara de lâcher Utrax. Hanna bouleverse Clara en lui donnant l'identité de sa vraie mère. Sandy a gagné la confiance de Kat, la fille de Gelder, et se radicalise quand Clara fait marche arrière. Elle tue Gelder pendant que Hanna, Clara et Kat s'enfuient. Marissa recherche Hanna avec l'aide de Grant, un ancien collègue de Mannion.

Suite au meurtre de Gelder, Carmichael arrive à Barcelone alors qu'Hanna, Clara et Kat se sont cachées dans une villa. Hanna retourne à l'hôtel et trouve la liste compromettante, aidée de Marissa qui suit Carmichael jusqu'à la villa où elle le menace de poursuivre l'équipe d'Utrax en justice. Hanna permet à Clara de retrouver sa mère avant de rejoindre Marissa pour tenter de détruire Utrax.

Hanna revient aux Meadows avec l'image d'une stagiaire fidèle à Utrax grâce au soutien de Carmichael que Marissa a réussi à rallier à leur cause. Alors que les stagiaires se préparent pour leur première mission, Marissa se rapproche de l'analyste de la CIA qui a établi la liste des cibles et lui soutire des informations. A Paris, Hanna rencontre Abbas, sa cible, un activiste charismatique.

Incapable d'oublier Abbas, Hanna rompt le protocole et lui rend visite. Marissa est effondrée lorsqu'elle reconnaît le numéro Un d'Utrax. Mais Hanna et Marissa vont commettre une petite erreur qui va éveiller les soupçons en voulant éviter le prochain assassinat . Hanna intercepte l'agent d'Utrax envoyé pour enquêter, mais Carmichael est démasqué et Hanna et Marissa tombent dans une embuscade

Leur plan étant compromis, Hanna et Marissa veulent se rendre à Vienne, siège supposé des Pionniers et du programme d'élimination. Mais Hanna décide d'aller d'abord retrouver Abbas, laissant Marissa se rendre seule à Vienne. Les deux ignorent qu'on leur a tendu un piège chacune de leur côté.

Hanna et Marissa s'introduisent dans le quartier général des Pionniers et découvrent l'effrayante vérité qui se cache derrière la liste d'assassinat et la façon dont elle est établie. Marissa affronte Evans, laissant Hanna s'échapper avec les preuves permettant d'anéantir le programme.

Hanna et Marissa n'ont plus beaucoup d'espoir. Hanna a été faite prisonnière par Evans pendant que Marissa découvre que la preuve qu'elle a trouvée contre les Pionniers est inexploitable. Hanna tente de s'enfuir et découvre la faille qui peut abattre le système, mais la torture psychologique qu'a pratiqué Evans sur elle l'empêche de s'en servir.

Hanna et Marissa retournent au siège des Pionniers en tant que prisonnières mais avec pour mission de trouver les preuves dont elles ont besoin pour anéantir le programme. Lorsqu'elles réalisent qu'Abbas et sa fille sont en danger, elles se précipitent pour les sauver. Dans les forêts de Vienne, Hanna doit aider Abbas tandis que Marissa affronte Evans une dernière fois.