Der Film beginnt zur Zeit des Kalten Krieges: 007 James Bond und sein Partner 006 Alec Trevelyan sollen eine sowjetische Chemiewaffenfabrik in Archangelsk vernichten. Der Einsatz glückt, doch wird 006 festgenommen und vor den Augen Bonds von Oberst Ourumov scheinbar hingerichtet. Anschließend gelingt Bond per Flugzeug die Flucht aus der Fabrik.
Neun Jahre später – nach dem Ende des Kalten Krieges – kommt Bond in Monaco der Pilotin Xenia Onatopp auf die Spur. Diese hat Kontakte zur russischen Terror-Organisation Janus, benannt nach dem römischen Gott Janus mit zwei Gesichtern. Ohne dass Bond es verhindern kann, stiehlt sie bei einer Testvorführung im Hafen einen Tiger-Hubschrauber, der stärkster elektromagnetischer Strahlung widerstehen kann. Xenia ermordet hierfür einen Admiral und die beiden Hubschrauberpiloten.
Mithilfe des Hubschraubers stehlen Onatopp und Ourumov das geheime russische Waffensystem GoldenEye. GoldenEye ist ein Satelliten-System, bei dem eine Atombombe in der oberen Erdatmosphäre gezündet wird und so einen elektromagnetischen Puls (EMP) auslöst, der alle elektronischen Geräte im Umkreis des anvisierten Ziels zerstört. Bei dem Waffenraub töten Ourumov und Onatopp fast alle Mitarbeiter des GoldenEye-Satellitenkontrollzentrums "Sewernaja" in Sibirien, nur Natalya Fyodorovna Simonova, eine Programmiererin und der Verräter Boris Grischenko, der Janus den Zugang zu GoldenEye ermöglichte, überleben. Um die Spur ihres Diebstahls zu verwischen, zerstören Ourumov und Onatopp mit einem der beiden GoldenEye-Satelliten das Kontrollzentrum. Sie entkommen mit dem (elektromagnetisch geschützten) Hubschrauber, drei russische MiG 29 Kampfflugzeuge, die die Vorgänge in der GoldenEye-Satellitenkontrollzentrale untersuchen sollten, stürzen ab.
Die Vorgänge in Sibirien werden vom MI6 über Satellit beobachtet. Dabei wird der gestohlene Hubschrauber entdeckt und Natalya wird beobachtet, wie sie aus den Trümmern des Kontrollzentrums entkommt. Weil Bond vermutet, dass sie den Verräter identifizieren kann, macht er sich auf den Weg nach Sankt Petersburg. Dort trifft er seinen Kontaktmann vom CIA, Jack Wade. Mit dessen Hilfe nimmt Bond zu dem ehemaligen KGB-Agenten Valentin Zukovsky Kontakt auf, der wiederum ein Treffen Bonds mit Janus arrangiert. Bond erfährt, dass der totgeglaubte Alec Trevelyan hinter dieser Organisation steckt. Das ganze Unternehmen ist seine persönliche Rache an Großbritannien, das er für den Tod seiner Eltern verantwortlich macht. Als Lienzer Kosaken (im Film fälschlich als: „Linzer Kosaken“ synchronisiert) waren Trevelyans Eltern von den Briten nach dem Zweiten Weltkrieg mit anderen Kosaken bei Lienz an Stalin und seine Exekutionskommandos ausgeliefert worden; Trevelyans Eltern hatten zwar überlebt, begingen aber aus Scham Selbstmord. Trevelyan versucht, 007 und Natalya in dem nun ausgedienten Hubschrauber zu töten. Dies kann Bond zwar in letzter Sekunde verhindern, doch werden beide vom russischen Militär verhaftet und ins Verteidigungsministerium gebracht.
Dort werden sie vom Verteidigungsminister verhört, doch taucht plötzlich General Ourumov auf und erschießt den Minister mit Bonds Dienstwaffe, um den Mord Bond anzuhängen und ihn so aus gutem Grund töten zu können. Bond kann erneut fliehen, muss jedoch Natalya zurücklassen. Ourumov flüchtet daraufhin mit Natalya zu einem Raketentransportzug Trevelyans. Bond verfolgt beide in einem T-55 Panzer quer durch Sankt Petersburg und bringt den Zug schließlich außerhalb der Stadt zum Entgleisen. Bond stürmt den Zug, um Natalya zu retten. Er tötet Ourumov, aber Trevelyan und die ebenfalls anwesende Onatopp können entkommen. Erneut versucht Trevelyan, Bond und Natalya zu töten, und wiederum gelingt beiden die Flucht. Natalya hat inzwischen herausgefunden, dass Kuba das Ziel der Flucht von Trevelyan und Onatopp ist. Natalya und Bond werden vorübergehend ein Liebespaar.
Auf Kuba macht Bond die geheime Basis von Trevelyan ausfindig. Er und Natalya können die auf sie angesetzte Onatopp töten und stürmen die Basis. Hier erfahren sie letztlich den Plan von 006: Er will zunächst mit Hilfe des Hackers Grischenko Gelder auf seine Konten transferieren und anschließend mit GoldenEye seine Spuren verwischen sowie die gesamte Londoner Finanzwelt ins Chaos stürzen.
Bond und Natalya können schließlich Trevelyans Pläne vereiteln. Im Showdown kämpfen Trevelyan und Bond Mann gegen Mann. Dabei stürzt Trevelyan am Ende zu Tode und wird unter den Trümmern einer Satellitenschüssel begraben. Der Verräter Grischenko, der sich schon gerettet wähnt, wird durch einen Schwall flüssigen Stickstoffs schockgefrostet. Bond und Natalya lassen sich von einem US-amerikanischen Rettungshubschrauber mit Ziel Guantanamo Bay ausfliegen.
Pierce Brosnan: James Bond (007)
Sean Bean: Alec Trevelyan (006) / „Janus“
Izabella Scorupco: Natalya Fyodorovna Simonova
Gottfried John: General Arkady Grigorovich Ourumov
Famke Janssen: Xenia Sergeyevna Onatopp
Joe Don Baker: Jack Wade
Judi Dench: „M“
Robbie Coltrane: Valentin Dimitrovich Zukovsky
Alan Cumming: Boris Grishenko
Tchéky Karyo: Dmitri Mishkin
Desmond Llewelyn: „Q“
Samantha Bond: Miss Moneypenny
Michael Kitchen: Bill Tanner
Serena Gordon: Caroline
Minnie Driver: Irina
