Действие разворачивается весной 1945 года, в конце Великой Отечественной войны. Герой фильма Штирлиц, советский разведчик, работающий в центральном аппарате СД, получает задание выяснить, кто из высших руководителей Рейха ведет сепаратные переговоры с Западом.
При бомбежке Берлина погибает радист Штирлица Эрвин Кин. Вторая радистка - Кэтрин, жена Эрвина - попадает в госпиталь, где ее случайно разоблачает гестапо. Задача Штирлица неимоверно осложняется: он остался без связи с московским руководством.
О том, что переговоры действительно идут, Штирлиц знает точно - он сам по поручению своего прямого начальника Шелленберга участвует в их обеспечении. Передать сведения в Москву Штирлиц поручает порознь двум антинацистски настроенным немцам: опальному пастору Шлагу и профессору Плейшнеру. Чтобы воспрепятствовать переговорам, Штирлиц решает использовать соперничество в высших эшелонах власти Рейха и идет на прямой контакт с Мартином Борманом.
Тем временем в руки шефа гестапо Мюллера попадают серьезные улики, указывающие на Штирлица как советского резидента. Штирлиц ведет напряженную психологическую дуэль с Мюллером, стремясь избежать провала.