Appena promosso agente doppio 0 dal suo capo M in seguito all'assassinio di due colleghi che facevano il doppio gioco, la spia britannica James Bond viene inviata a Royale-les-Eaux, nella Francia settentrionale, con l'obiettivo di mandare sul lastrico ai tavoli da gioco del Casino Royale il banchiere del locale Partito Comunista, Le Chiffre, spietato giocatore d'azzardo e gestore di bordelli. L'uomo ha investito in segreto i soldi del partito in attività fallimentari e, a causa delle ingenti perdite, si trova ora con l'acqua alla gola, costretto a racimolare in pochi giorni ai tavoli del Casinò la cifra persa, pena la morte per mano dei servizi sovietici. L'MI6 spera di sfruttare questa favorevole situazione, costringendo Le Chiffre a chiedere la protezione degli inglesi in cambio di preziose informazioni sulle attività segrete dei russi.
Bond non è considerato da M come il suo elemento migliore, ma diventa il prescelto per la missione poiché risulta essere il più quotato giocatore di baccarà dei servizi inglesi. Arrivato al Casinò, l'agente segreto si sbarazza di alcune cimici con cui era spiato dai vicini di stanza, e si presenta ai due colleghi inviati per aiutarlo nella partita contro Le Chiffre, il francese René Mathis del Deuxième Bureau, e l'americano Felix Leiter della CIA. Inoltre, a James viene affiancata una donna, una contabile dell'MI6 di nome Vesper Lynd: la spia non ne è entusiasta, poiché teme che la ragazza non sia adatta alla missione; tuttavia Bond e Vesper collaborano, discutendo delle regole del gioco e della missione.
Arriva la tanto attesa partita a baccarà e Bond per due volte rischia di mandare tutto a monte. Prima gli viene puntato un fucile contro la schiena da uno scagnozzo del banchiere, che lo minaccia di morte se non avesse abbandonato la partita; poi dilapida avventatamente, in una sola mano di gioco, l'intero capitale affidatogli da Vesper per conto dei servizi britannici. Quando tutto sembra perduto, Leiter fa arrivare a Bond, per mano degli americani, gli insperati fondi per continuare la partita. Finalmente, grazie alla sua abilità nelle carte e a qualche colpo di fortuna, James vince la partita, ripulendo Le Chiffre.
Durante la cena tra Bond e Vesper per festeggiare il successo della missione, la contabile riceve un biglietto da Mathis, che la invita a raggiungerlo fuori. Bastano pochi secondi alla spia per capire che il messaggio è falso: si precipita all'inseguimento della ragazza, che è stata caricata su una macchina da Le Chiffre e dai suoi uomini. Sale quindi sulla sua Bentley e insegue i rapitori, ma incappa in un incidente automobilistico orchestrato da quest'ultimi; una volta catturato, Bond viene portato, assieme a Vesper, in una villa fuori mano sulla costa, e successivamente spogliato e legato nudo a una sedia (cui è stata rimossa la seduta). Nel tentativo di farsi restituire i suoi soldi, Le Chiffre inizia a torturare sadicamente la spia inglese, colpendola ripetutamente ai genitali con un battipanni, fino a farla svenire più volte.
All'improvviso un uomo entra e spara a Le Chiffre, mentre Bond perde i sensi un'altra volta. Quando si risveglia, si ritrova in un ospedale con Vesper. Ella gli tiene compagnia durante la convalescenza e, ormai innamorati, trascorrono il tempo insieme anche dopo la guarigione, finché un giorno la ragazza non nota un uomo con una benda nera e inizia a comportarsi in modo strano. Le apparizioni del misterioso uomo si fanno sempre più frequenti, nonostante Vesper continui a negare di conoscere il tipo e a dire di stare bene.
Una mattina, al risveglio, un cameriere consegna a Bond una lettera. La spia raggiunge Vesper, ma la trova sul letto, ormai priva di segni di vita. Sul suo comodino ci sono ancora il libro che stava leggendo e un bicchiere con della polvere: James capisce così che la ragazza si è spontaneamente avvelenata. Nella lettera, ella racconta del suo fidanzato, rapito dai sovietici, e dell'unico modo che aveva di rivederlo vivo: collaborare con un'agenzia spionistica russa chiamata SMERSH (contrazione di Smyert Shpionam, ovvero «morte alle spie»), raccogliendo il denaro per Le Chiffre.