第二次世界大戦前夜。上官の命に背き、極刑を言い渡された青年(亀梨和也)は刑の執行直前、謎の男・結城(伊勢谷友介)から救いの手を差し伸べられる。だがその交換条件は、結城が設立した秘密組織“D機関”の一員としてスパイになることだった。過酷で奇妙な訓練を経て、青年は“嘉藤”という偽名を与えられ、世界を揺るがしかねない機密文書“ブラックノート”奪取の極秘ミッションを命令される。世界各国が狙う“ブラックノート”は現在、国際都市“魔の都”に駐在する米国大使・グラハムの手にあった。日本を飛び出し“魔の都”に潜入した嘉藤たちD機関のメンバーは、明晰な頭脳と身体能力を駆使し、グラハムに接近していく。しかしグラハムの愛人・リン(深田恭子)や、ブラックノートを狙う各国のスパイたち、さらにD機関内部に潜む見えざる敵が彼らの前に立ちはだかるのだった……。