Terwijl de geallieerden snel nabij nazi-Duitsland komen, vormen een kleine groep militair personeel en politici een geheim alliantiet met het doel Hitler uit de macht te zetten. Kolonel Stauffenberg (Tom Cruise) wordt in deze groep gerekruteerd na een incident in Noord-Afrika waarbij zijn linkeroog en rechterhand zijn verloren gegaan. Teleurgesteld over het verlies aan Duitse levens onder Hitlers bewind, faciliteert Stauffenberg een plan dat het houden van een coup onder het mom van Hitlers Valkyrie-orndisatie (vandaar de naam van de film) inhoudt. Om het plan te laten slagen, moeten Stauffenberg en zijn medeverdachte de hulp verkrijgen van generaal Friedrich Fromm (Tom Wilkinson), een hooggeplaatste nazi met zijn eigen machtspolitiek; en infiltreer Hitlers sterk beveiligde Wolfsschanze. Zoals velen van jullie waarschijnlijk weten, loopt het complot om Hitler te vermoorden niet zoals gepland, en de resulterende tragedie vormt de ware kern van de film.