Mens de allierede hurtigt nærmer sig Nazi-Tyskland, danner en lille gruppe militært personale og politikere en hemmelig alliance med det formål at fjerne Hitler fra magten. Oberst Stauffenberg (Tom Cruise) bliver rekrutteret til denne gruppe efter en hændelse i Nordafrika, der resulterede i tabet af hans venstre øje og højre hånd. Forfærdet over tabet af tyske liv under Hitlers styre tilrettelægger Stauffenberg en plan, der involverer iscenesættelsen af et kup under påskud af Hitlers Valkyrie-orden (deraf filmens navn). For at planen kan lykkes, må Stauffenberg og hans medkonspiratorer få hjælp af General Friedrich Fromm (Tom Wilkinson), en højtstående Nazi med sin egen dagsorden om magt; og infiltrere Hitlers stærkt bevogtede Ulvegrotte. Som de fleste sikkert ved, går planen om at myrde Hitler ikke som forventet, og den efterfølgende tragedie er filmens egentlige kerne.