À medida que as forças aliadas se aproximam rapidamente da Alemanha nazista, um pequeno grupo de militares e políticos forma uma aliança secreta com o propósito de remover Hitler do poder. O Coronel Stauffenberg (Tom Cruise) é recrutado para esse grupo após um incidente no Norte da África que resultou na perda de seu olho esquerdo e de sua mão direita. Desapontado com a perda de vidas alemãs sob o regime de Hitler, Stauffenberg facilita um plano que envolve a encenação de um golpe sob o disfarce da ordem de Valkíria de Hitler (daí o nome do filme). Para que o plano funcione, Stauffenberg e seus co-conspiradores devem obter a ajuda do General Friedrich Fromm (Tom Wilkinson), um nazista de alta patente com sua própria agenda de poder; e infiltrar-se na Wolf’s Lair, fortemente protegida por Hitler. Como muitos de vocês provavelmente sabem, o plano de assassinar Hitler não sai como o previsto, e a tragédia resultante é o verdadeiro núcleo do filme.