Дія фільму "Атомна блондинка" розгортається у 1989 році, коли Берлінський мур ось-ось має впасти, і слідує за агентом МІ-6 Лоррейн Бротон, яку відправляють одну в місто, щоб витягти безцінне досьє з дестабілізованого міста. Досьє може зруйнувати саму структуру західної розвідки, тому Бротон також просять встановити особу подвійного агента, відомого лише під кодовим ім'ям "Ранець". Вона співпрацює з начальником станції Девідом Персівалом, і вдвох вони ведуть смертельно небезпечну гру шпигунів і зрадників. З роздвоєною лояльністю, обманом і небезпекою на кожному кроці Бротон намагається вижити в середовищі, сповненому брехні та зради.