James Bond begynner å eldes og er ikke lenger like kjapp i avtrekkeren. Etter en treningsøvelse bestemmer derfor M at han bør sendes på helseklinikk. Ved å få piloten Jack Petachi hekta på heroin og implantere en falsk iris i øyeeplet hans, klarer SPECTRE å stjele to atomvåpenstridshoder fra NATO. En blir plassert under Det hvite hus og det andre ligger i en underjordisk elv ved oljefeltene i Midt-Østen. Ernst Stavro Blofeld (Max von Sydow) forlanger en løsesum på 25 prosent av NATO-medlemmenes årlige oljeinnkjøp for å la være å sprenge atombombene. Pengene skal han ha «innen uken». James Bond (Sean Connery) snapper opp informasjon som leder han til Nassau hvor mangemilliardæren Maxilliam Largo (Klaus Maria Brandauer) holder til. Largo viser seg å være SPECTRE-agenten som står bak hele operasjonen. I Nassau treffer også Bond på den dødelige Fatima Blush (Barbara Carrera) som er Largos utøvende skurk. Largos kjæreste, Domino Petachi (Kim Basinger) viser seg å være søsteren til Jack Petachi, som blir drept av SPECTRE. Hun faller for Bond, og hjelper ham også med å lokalisere bombene og redde den frie verden.

James Bond (David Niven) har pensjonert seg og får besøk av M og representanter fra CIA, KGB og den franske etterretning. De forteller Bond at en felles fiende dreper alle deres agenter. Bond blir kun overtalt til å etterforske saken når M blir drept i et attentat. Bond drar til Castle McTarry i Skottland for å gi Ms tupé til hans enke, Lady Fiona. Bond vet ikke at fiendeorganisasjonen SMERSH har infiltrert slottet med vakre kvinner, under ledelse av en falsk Fiona, Agent Mimi (Deborah Kerr). Deres plan er å ødelegge Sir James sitt image. Men Mini forelsker seg i Bond og hun røper planen for ham. Mimi forteller at hun får sine instrukser fra fra en organisasjon i Berlin under dekknavnet International Mother’s Help. Bond blir angrepet av en annen kvinnelig snikmorder underveis til London, og han unnslipper så vidt døden. Han beordrer Miss Moneypenny (Barbara Bouchet) å finne en man som kan motstå verdens vakreste kvinner – for å være et «anti-female spy-device», et spionredskap immun for kvinnelig sjarm og list. En agent Cooper (Terence Cooper) blir valgt til jobben, og Bond gir ordre om at Cooper og alle de andre gjenværende agentene blir gitt kodenavnet «James Bond, 007» for å forvirre fienden. James Bond besøker spionen Vesper Lynd (Ursula Andress) og får henne til å trene Evelyn Tremble (Peter Sellers), en ekspert i kortspillet baccarat, opp til å bli en spion. Bond besøker deretter sin datter, Mata Bond (Joanna Pettet) i et utenlandsk tempel og overtaler henne til å infiltrere International Mother’s Help. Som infiltrør bevitner Mata Bond en auksjon med flere gjester, deriblant Le Chiffre, en SMERSH agent som selger kompromitterende bilder av ulikt militærpersonell i et forsøk på å skaffe penger for å tilbakebetale spillgjelden han har overfor SMERSH. Mata ødelegger bildene. På det eksklusive Casino Royale i Frankrike utfordrer Evelyn Tremble Le Chiffre i et baccaratspill med en innsats på 50 millioner franske franc. Le Chiffre taper. Le Chiffre tar Tremble til fange og torturerer ham tilsynelatende til døde, kanskje ved hjelp av Vesper Lynd (som kan være dobbeltagent). Bankerott blir Le Chiffre selv drept av SMERSH-agenter. I mellomtiden kidnapper en SMERSH ufo Mata Bond i Trafalgar Square i London, og Mimi forteller James Bond at hun er tatt til casinoet. Der oppdager James Bond en undergrunnsbase ledet av SMERSH-leder Doctor Noah (Woody Allen), som viser seg å være ingen ringere enn James Bonds nevø, Jimmy Bond. Jimmy planlegger å slippe et stoff i luften som vil gjøre alle kvinner vakre og ødelegge alle men over en viss høyde, og samtidig erstatte alle verdens ledere med robotkopier som han har laget. En av James Bonds 007-agenter, Detainer (Dahlia Lavi), tvinger Jimmy til å svelge en pille som omgjør ham til en atombombe. Agenter fra hele verden er kommet til casinoet, Jimmy eksploderer, og både ham, casinoet og alle James Bond-ene eksploderer. Bond-ene kommer til himmelen og Jimmy til helvete.

Jimmy Bond (Barry Nelson) drar til Casino Royale på den franske rivieraen. Før han kommer seg inn i casinoet forsøker noen å drepe ham. Der treffer han agentkollega Clarence Leiter. Sammen snakker de om det viktige oppdraget. Bond må forsøke å vinne i kortspillet over franskmannen Le Chiffre (Peter Lorre), som har satt seg i spillegjeld overfor sin oppdragsgiver SMERSH og vil falle i unåde hvis han ikke betaler tilbake gjelden sin. Le Chiffre har et spillbudsjett på 26 millioner franc, og det samme har Jimmy Bond. Le Chiffre forsøker å vinne så mye som 80 millioner franc, det han skylder SMERSH. Valerie Mathis, en av James Bonds ekser, er også på Casino Royale. Hun introduser Le Chiffre for James Bond foran deres store spillkveld. Bond får en telefonsamtale rett før de skal spille. Der får han vite at Valerie Mathis vil bli drept hvis han vinner kortspillet. Dette forundrer Bond siden han vet at Valeri er en SMERSH-agent, og derfor er en av deres egne. Men han forstår selvsagt at årsaken er at SMERSH vil sjekke om han har følelser for henne, og vil utnytte dette fullt ut. Bond taper første runde, men får "forsyninger" på 35 millioner francs fra en ukjent giver mens han sitter ved spillbordet. Bond vinner neste runde, og Le Chiffre sitter igjen 23 millioner franc. Han satser alt og taper, da Bond får baccarat. En av Le Chiffres skurker forsøker å true Bond med en stokkpistol, og ber ham gi ham pengene. Valerie Mathis viser seg å være giveren av de 35 millionene, og skal ha sin andel av de 87 millionene franc som Bond vant. Han får en sjekk på beløpet og gjemmer den i dørskiltet på hotelldøren sin. Bond og Leiter finner ut at Valerie er forsvunnet fra casinoet og leter etter henne hver for seg. Bond får "besøk" av Le Chiffre på hotellrommet, og har med seg Valerie. Det viser seg at hun også er agent for Le Deuxieme Bureau, og kun har infiltrert SMERSH-organisasjonen til Le Chiffre. Le Chiffre ber Bond finne frem sjekken. Bond nekter og blir tatt inn på badet og satt i badekaret, hvor han surres fast med tauverk. Le Chiffre finner frem en tang og klipper av en tå. Bond forteller fortsetter ikke hvor sjekken er. Le Chiffre sier at han har lett overalt i hotellrommet, men at Bond har vært dyktig i å gjemme den godt. Bond får en ny torturomgang, men Valerie – som også er bundet – begynner å snakke. Hun nevner noe om et skrujern. Det setter Le Chiffre på sporet. Han går ut av rommet. Bond og Valerie er alene. Bond klarer å komme seg løs. Han hører at Le Chiffre har funnet sjekken. Bond overmanner Le Chiffres håndlanger Basil og Le Chiffre går inn på badet. Bond skyter ham i brystet, og Basil når han våkner til.