Ein hoher Offizier der Lord’s Resistance Army, Steven Obanno, nimmt die Dienste des für Terroristen arbeitenden Börsenspekulanten Le Chiffre in Anspruch und überlässt diesem eine größere Geldsumme zur Aufbewahrung. Vermittelt wurde ihm der Bankier von Mr. White, dem Repräsentanten eines internationalen Netzwerks von Terrorgruppen. Le Chiffre engagiert mit dem Geld den Mittelsmann Alex Dimitrios, der für ihn den professionellen Saboteur und Attentäter Mollaka anwirbt. Auf Madagaskar wird Mollaka von James Bond beschattet und schließlich nach einer Verfolgungsjagd durch ein Elendsviertel und eine Baustelle von ihm getötet. Da die Ermordung in einer Botschaft stattfand und folglich durch die Presse ging und ursprünglich gar keine Ermordung, sondern lediglich eine Festnahme geplant war, zeigt sich Bonds Chefin M verärgert und lehnt Bonds Dienste zunächst ab.
Bond kann Dimitrios als nächsten Mann hinter Mollaka ermitteln, beschattet ihn auf den Bahamas und tötet ihn letztlich in Miami. Am dortigen Flughafen gelingt es Bond in letzter Sekunde, ein Terrorattentat auf einen Flugzeug-Prototypen zu verhindern. Dabei schaltet er Carlos, der als Ersatzmann für Mollaka angeheuert wurde, aus. Das Attentat sowie gleichzeitige Börsenspekulation hätten Le Chiffre ein Vermögen eingebracht, wäre der Prototyp zerstört worden. Stattdessen hat er Obannos gesamte Summe verloren.
Um dieses Geld zurückzugewinnen, ist Le Chiffre gezwungen, in der Spielbank Casino Royale in Montenegro um einen hohen Geldbetrag zu spielen. Als der MI6 davon erfährt, wird Bond beauftragt, dessen Plan zu vereiteln. Hilfe erhält Bond von Vesper Lynd, einer Mitarbeiterin des Schatzamts, mit der er im späteren Verlauf der Handlung ein intimes Verhältnis eingeht.
Bond beteiligt sich am Pokerturnier in Montenegro, bei dem Le Chiffre das Geld auftreiben will, und entrinnt nur knapp dem Tode durch eine Vergiftung, welche von Le Chiffre veranlasst wurde. Während einer Spielpause wird Le Chiffre in seinem Hotelzimmer von Obanno abgefangen und bedroht. Obanno wird wenig später nach einer Schlägerei mit Bond von diesem erwürgt. Bond gewinnt das Turnier, muss sich dazu aber finanziell von Felix Leiter, der sich ihm als CIA-Mitarbeiter zu erkennen gegeben hat, unterstützen lassen. Im Gegenzug verspricht er ihm und der CIA den Zugriff auf Le Chiffre. Als Vergeltung für die Niederlage Le Chiffres wird Vesper vor Bonds Augen entführt. Es beginnt eine halsbrecherische Verfolgungsjagd, bei der Bond die Kontrolle über seinen Wagen verliert, als er der auf die Straße gelegten, gefesselten Vesper Lynd ausweicht. Der Wagen überschlägt sich, Bond verliert das Bewusstsein.
Bond erwacht in Gefangenschaft und wird von Le Chiffre durch Schläge auf die Hoden mit einem verknoteten Seil gefoltert. Er sitzt dabei nackt auf einem Stuhl, dessen Sitzfläche entfernt wurde. Als Bond nicht auf Le Chiffres Forderungen eingeht, versucht dieser ihn zu töten, wird aber vom plötzlich auftauchenden Mr. White erschossen. Bond und Vesper Lynd werden dagegen von White verschont.
Bond erholt sich mit Vesper in einem Badeort von der Folter. Er ist sich darüber im Klaren, dass er seinen Dienst quittieren muss, damit sie beide eine gemeinsame Zukunft haben, und ist auch zu diesem Schritt bereit. Via E-Mail schickt er seine Kündigung nach London an M. Er will mit Lynd durch die Welt fahren und das Leben genießen.
Doch bevor er seinen Plan in die Tat umsetzen kann, erfährt Bond in Venedig, dass Vesper Lynd durch Erpressung gezwungen war, den Terroristen das Geld persönlich zu überreichen. Sie sollte das bei dem Turnier gewonnene Geld der Terrororganisation verschaffen.
Es kommt zu einem letzten Showdown in Venedig, bei dem die Handlanger der Terroristen von Bond getötet werden und Vesper Lynd sich das Leben nimmt. Sie schließt sich in einem Fahrstuhl ein, der sich in einem im Wasser versinkenden Haus befindet. Bond kann Lynd noch aus dem von Gittern gesicherten Fahrstuhl befreien und an die Wasseroberfläche bringen, doch ihren Tod nicht mehr verhindern. Da Vesper jedoch für Bond einen Hinweis auf Mr. White, der inzwischen im Besitz des Geldes ist, auf ihrem Handy hinterlassen hat, ist es 007 möglich, ihn am Ende des Films aufzuspüren. Bond schießt ihm in den Oberschenkel und sagt dann als Antwort auf die Frage, wer er sei, zum ersten Mal den berühmten Satz: „Mein Name ist Bond. James Bond.“
Daniel Craig: James Bond
Eva Green: Vesper Lynd
Mads Mikkelsen: Le Chiffre
Judi Dench: M
Jeffrey Wright: Felix Leiter
Giancarlo Giannini: René Mathis
Caterina Murino: Solange Dimitrios
Simon Abkarian: Alex Dimitrios
Isaach de Bankolé: Obanno
Jesper Christensen: Mr. White
Ivana Miličević: Valenka
Tobias Menzies: Villiers
Claudio Santamaria: Carlos
Sébastien Foucan: Mollaka
Malcolm Sinclair: Dryden
Richard Sammel: Adolph Gettler
Ludger Pistor: Herr Mendel
Clemens Schick: Kratt
Andreas Daniel: Croupier
Carlos Leal: Chef de Partie
Jürgen Tarrach: Schultz
