När allierade styrkor snabbt närmar sig Nazi-Tyskland bildar en liten grupp militärapparater och politiker en hemlig allians med syftet att avsätta Hitler från makten. Oberst Stauffenberg (Tom Cruise) rekryteras till denna grupp efter en incident i Nordafrika som resulterade i förlusten av hans vänstra öga och högra hand. Förkrossad över förlusten av tyska liv under Hitlers styre underlättar Stauffenberg en plan som innefattar iscensättningen av en kupp under förevändning av Hitlers Valkyria-ordning (hence the name of the film). För att planen ska fungera måste Stauffenberg och hans medkonspiratörer få assistans av General Friedrich Fromm (Tom Wilkinson), en högt uppsatt nazist med sin egen maktambition; och infiltrera Hitlers mycket skyddade Wolfss Lair. Som säkert de flesta av er känner till går inte planen att mörda Hitler som det var tänkt, och den resulterande tragedin är filmens sanna kärna.