歌剧院里，杂耍表演结束的舞台上，报幕员走上舞台，隆重介绍“记忆先生”梅里克。借惊人的记忆，梅里克回答着观众各种刁钻古怪的问题。嘈杂的人群中，加拿大男人汉纳提问了一个有关加拿大地理方面的问题，“记忆先 生”准确地给出答案。枪声！两声枪响，让原本嘈杂不堪的歌剧院顿时陷入混乱。人群涌向出口，一个陌生而漂亮的女子紧跟着汉纳，在拥挤的人群中挤出歌剧院，随汉纳来到他租住的布兰特公寓。

女子自称施密斯，受雇于英国间谍机构，因保护英国空军防空机密而遭到陌生人的追踪。施密斯的任务是前往苏格兰，与一个右手小拇指缺一截的男人接头。男人是秘密间谍组织“三十九级台阶”的负责人。透过窗帘，汉纳确实看到窗外的墙根下站着两个神秘的男子。入夜，施密斯突然闯进汉纳的房间，丢下一句“快走！下一个将是你”后，倒地死去，背后插着一把尖刀。

施密斯小姐的死，让汉纳感到恐惧，接着又觉得疑惑。怀着恐惧而疑惑的心情，汉纳逃出旅馆，搭上火车，前往苏格兰。火车上，汉纳从报纸上看到警察已经发现了施密斯的尸体，自己却成了凶杀犯正被警方通缉。陌生女人的告密，让警察闻讯而至。汉纳机智的甩开警察的追捕，跳下火车，来到苏格兰的一处农庄。

警察尾随而来。贪财的农夫将汉纳出卖给警察，好心的农妇却给了汉纳一条生路。翻山、越岭、涉水、斩棘，汉纳依然遭到警察的追捕。此时，汉纳按照施密斯临死前留下一张地图，找到乔纳教授的山庄。适逢酒神节。乔纳巧妙地支走警察，露出“庐山真面”。汉纳发现，乔纳竟然就是施密斯说的那个小拇指缺一截的接头人，而施密斯的真名叫安娜·贝拉。

接下来发生的事情更加扑朔迷离，汉纳的处境也越来越危险。当汉纳从扑朔迷离中发现空军机密与“三十九级台阶”秘密间谍组织有关时，已经是在回到伦敦后的歌剧院。“记忆先生”的回答，提醒了汉纳。原来，间谍组织是想利用“记忆先生”惊人的记忆，将空军机密带出英国。真相在最后一刻揭露，清白在最后一刻洗清，乔纳教授在最后一刻现形，“记忆先生”却在最后一刻用生命保护了国防机密。