En 1944, devastada por las atrocidades de la guerra y por la visión de las muertes de sus seres más queridos, Louise Desfontaines, miembro de la Resistencia francesa, huye a Londres para unirse al SOE, la organización secreta británica creada por Winston Churchill. En plena planificación del desembarco aliado, Louise recibirá su primera misión: rescatar a un agente británico con información de alto secreto, que ha caído en manos nazis mientras realizaba tareas de exploración en las playas de Normandía, y asesinar al coronel Heindrich, miembro de la SS que sospecha los preparativos del Día D. Para ello, contará con la ayuda de un equipo de valientes mujeres compuesto por Suzy, una bailarina de seducción mortífera, Gaëlle, experta en explosivos, y Jeanne, una prostituta reconvertida de sangre fría y ánimo descarado. La última pieza del dispositivo la constituirá María una operadora de radio judía de origen italiano que las acogerá tras su llegada a la costa francesa. La misión requerirá de ellas mucho más que pericia y valor, en una carrera contrarreloj cuyos resultados cambiarán para siempre el curso de la guerra. Basada en una historia real, Espías en la sombra rinde homenaje a todas aquellas heroínas que, combatiendo como verdaderos soldados, se embarcaron en un sacrificio personal para luchar por su patria y por la paz.