Film aksi-komedi romantis My Girlfriend Is an Agent menghadirkan kisah seru sekaligus kocak tentang cinta yang dipenuhi rahasia di tengah misi berbahaya.

Cerita berpusat pada Ahn Soo- ji (Kim Ha-neul), agen rahasia veteran yang jago bela diri dan ahli anggar. Ia ditugaskan menghentikan sindikat kejahatan Rusia yang berhasil menguasai senjata bio-kimia canggih dari Korea dengan bantuan ilmuwan korup. Di sisi lain, ada Lee Jae-joon (Kang Ji-hwan), agen internasional pemula yang lebih kuat di bidang analisis daripada aksi lapangan yang sering membuatnya melakukan kesalahan konyol.

Takdir mempertemukan keduanya dalam situasi yang rumit, mereka ternyata saling berpacaran tanpa mengetahui identitas asli masing-masing sebagai agen rahasia. Hubungan mereka pun penuh konflik karena dipenuhi kebohongan dan rahasia yang terus menumpuk.

Seiring waktu, hubungan cinta mereka berubah jadi penuh kecurigaan dan pertengkaran, bahkan nyaris membuat mereka saling mencelakai. Meski begitu, ada satu hal yang tak bisa mereka pungkiri, perasaan cinta yang bercampur dengan benci.

Di tengah misi besar menyelamatkan dunia, Soo-ji dan Jae-joon harus bekerja secara diam-diam di belakang satu sama lain. Ironisnya, tanpa mereka sadari, keduanya sebenarnya sedang menjalankan tujuan yang sama ingin menghentikan ancaman global.