15 años después de que Erik Heller rescatara a Hanna de un centro secreto rumano, ambos viven ocultos en un bosque de Polonia. Erik ha entrenado a Hanna hasta convertirla en cazadora y asesina, pero ávida por conocer lo que hay más allá de su mundo, se aleja de casa, atrayendo la atención de la agente de la CIA Marissa Wiegler, que la persigue desde su nacimiento.

Tras su captura por los hombres de Marissa, Hanna debe luchar para escapar de las instalaciones de la CIA de Marruecos y unirse a Erik en Berlín. En el camino, conoce a Sophie, una adolescente británica de vacaciones con su familia, que le da a Hanna su primer sabor del mundo real y la emoción de la adolescencia. Sin embargo, a pesar de esta visión de la normalidad, la amenaza de Marissa y sus agentes nunca se queda atrás.

Hanna y Erik se reúnen en Berlín, donde se esconden con sus viejos amigos del ejército y ella aprende más sobre el pasado de su padre. Sin embargo, Hanna continúa añorando la vida normal que vislumbró con Sophie y se siente cada vez más frustrada por las restricciones que su propio padre le impone. Al sentir que Marissa se acerca a ellos, Erik y sus amigos comienzan a prepararse para un ataque.

Erik mantiene a Marissa prisionera, tratando de negociar un acuerdo para que él y Hanna salgan de Berlín a salvo. Mientras tanto, Hanna se esconde con Dieter y su familia. Desesperada por saber más sobre lo que está haciendo su padre, Hanna descubre un gran secreto en su propio pasado. Cuando un plan de escape comienza a formarse, Marissa intenta hacerla propia.

Todavía recuperada de sus revelaciones sobre Erik, Hanna se esconde en los suburbios de Londres con Sophie, quien mantiene a su nuevo amigo en secreto de sus padres. Sophie convence a Hanna para que asista a una fiesta escolar donde Hanna experimenta la emoción de un enamoramiento adolescente por primera vez. Mientras tanto, los amigos de Erik tratan desesperadamente de salvarlo de las lesiones que amenazan la vida que sufrió al huir de la captura.

La relación de Sophie y Hanna comienza a agriarse por su interés compartido en Anton. Como consecuencia de este argumento, Marissa llega a la casa de Sophie fingiendo ser la madre de Hanna. Hanna se encuentra dividida entre poner en peligro a Sophie y su familia, o renunciar a su propia libertad e irse con Marissa. Mientras tanto, un Erik capturado es brutalmente interrogado por Sawyer y sus hombres.

Al darse cuenta de que Hanna ya no aceptará nada más que la verdad completa, Erik la lleva de regreso a Rumania para que pueda aprender más sobre su pasado. Mientras tanto, Marissa comienza a sentir que Sawyer no le ha estado contando toda la verdad sobre Utrax.

Cuando Erik le revela a Hanna la verdad sobre Utrax, está decidida a actuar. Mientras tanto, Marissa intenta averiguar de Sawyer lo que realmente ha estado sucediendo en las instalaciones.

Con Hanna escondida en los enormes bosques del norte de Rumanía, el resto de aprendices llegan a un centro educativo llamado La Pradera, donde reciben nuevas identidades. Marissa intenta encontrar a Clara haciéndose pasar por su madre en internet atrayéndola a un hotel en Bucarest, donde -en una emboscada- es capturada por Utrax. Hanna la sigue y se reúne con Marissa.

Marissa y Hanna regresan a París, mientras Clara es presentada al grupo de La Pradera, pero su naturaleza rebelde causa problemas y le encargan a Terri convencerla de que vuelva a unirse al programa. Investigando a Clara, Hanna descubre la farmacéutica que hay detrás de los implantes de Utrax, y participa en un experimento médico donde descubre drogas destinadas a las aprendices de La Pradera.

Hanna regresa a Passway y sigue a Dumont y las drogas fuera de la ciudad, sabiendo que eso la llevará hasta La Pradera. Marissa descubre que Sonia está en Bélgica y alcanza a Hanna justo a tiempo, matando a Sonia en el proceso. Hanna llega a La Pradera, lista para salvar a Clara, pero descubre sorprendida que el plan de Terri para atraer a Clara ha funcionado, y parece haber echado raíces.

Marissa se reúne con Hanna en La Pradera, y le asegura estar de su lado al preparar un plan de huida para esa misma noche. Hanna convence a Clara de que se una a ellas, pero La Pradera resulta ser demasiado reconfortante para ella, y traiciona a Hanna, poniendo de nuevo el poder en manos de Carmichael. Mientras, un agente de la CIA encuentra La Pradera, pero no hay rastro de Hanna ni de Marissa.

Marissa es prisionera en La Pradera, donde animan a Hanna a aceptar su nueva identidad como Mia Wolff. Para ello tendrá que hacer luto por Erik, y Terri quiere acelerar el proceso. Marissa escapa y convence a Hanna de que huyan, pero Clara se interpone. Clara dispara a Marissa y le dice a Carmichael que ha sido Hanna para que Marissa no las secuestrara. Hanna es aceptada de nuevo en La Pradera.

Hanna y Jules parten a su primera misión, matar a una periodista en Londres que planea reunirse con un abogado militar que quiere descubrir los secretos de Utrax. Mientras, Sandy y Clara vuelan a Barcelona para interceptar las pruebas. Hanna intenta desertar y se alía con Mannion intentando salvar la vida de Nicola, pero Jules y Leo van un paso por delante. Las consecuencias son desastrosas.

Hanna llega a Barcelona con intención de salvar a Gelder y convencer a Clara de que deje Utrax. Hanna le da a Clara el nombre y dirección de su madre, provocándole dudas. Sandy se gana la confianza de Kat, hija de Gelder, y enfurece cuando Clara se niega a matarlos. Sandy mata a Gelder mientras Hanna y Clara escapan con Kat. Grant, colega de Mannion le encarga a Marissa que encuentre a Hanna.

Tras el asesinato de Gelder, Carmichael llega a Barcelona mientras Hanna, Clara y Kat se esconden en una villa. Hanna regresa al hotel y recupera la lista de blancos con ayuda de Marissa, quien sigue a Carmichael y lo extorsiona para llevar a sus compañeros de Utrax ante la justicia. Hanna permite que Clara se reúna con su madre antes de volver para destruir Utrax con ayuda de Marissa.

Hanna regresa a La Pradera con su tapadera como leal aprendiz intacta gracias a su director John Carmichael, que ayuda extorsionado por Marissa. Mientras las aprendices se preparan para las primeras misiones, Marissa le saca información a un analista de la CIA en Viena que está en la lista de objetivos. En París, Hanna conoce a su blanco, Abbas, un carismático y joven activista.

Incapaz de olvidar a Abbas, Hanna rompe el protocolo y le visita en el piso franco. El mundo de Marissa queda patas arriba al reconocer al director en la foto de Hanna. Mientras ambas planean el sabotaje del siguiente crimen, un error despierta sospechas. Hanna intercepta al agente de Utrax enviado a investigar, pero la traición de Carmichael hace que Hanna y Marissa caigan en una emboscada.

Hanna y Marissa se mueven deprisa ahora que han sido descubiertas. Pretenden llegar a Viena, creyendo que es el cuartel general de los Pioneros y la base de asignación del programa de asesinatos, pero Hanna parte antes en busca de Abbas. Marissa sigue camino de Viena y ninguna de las dos sabe que van hacia una trampa.

Hanna y Marissa entran en el cuartel de los Pioneros y descubren la terrible oculta tras la lista de asesinatos y cómo se crea. En el interior, Marissa se enfrenta a Evans, el director, permitiendo que Hanna escape con las pruebas para acabar con el programa.

Hanna y Marissa casi han perdido. Hanna ha sido capturada por Evans y las pruebas que Marissa necesita para acabar con el programa están encriptadas y son inservibles. Cuando Hanna intenta escapar descubre la que puede ser la clave para acabar con los Pioneros, pero el brutal interrogatorio de Evans podría romper la voluntad de Hanna antes de que pueda aprovecharla.

Hanna y Marissa regresan al cuartel general de los Pioneros como prisioneras, pero con la misión de lograr las pruebas que necesitan para acabar con el programa. Cuando descubren que Abbas y su hija corren peligro, parten a rescatarlos. Hanna debe salvar a Abbas en los bosques de las afueras de Viena mientras Marissa se enfrenta a Evans una última vez.