Действие фильма разворачивается с 12 февраля по 24 марта 1945 года, незадолго до капитуляции Германии во Второй мировой войне. Герой фильма, штандартенфюрер Макс Отто фон Штирлиц, советский разведчик, работающий в центральном аппарате СД, получает задание выяснить, кто из высших руководителей Рейха ведёт сепаратные переговоры о перемирии с США и Великобританией.

Работа Штирлица в СД вызывает подозрения у начальника РСХА Кальтенбруннера, и он поручает гестапо провести в отношении Штирлица тщательную негласную проверку.

При бомбёжке Берлина погибает радист Штирлица Эрвин Кин. Вторая радистка — Кэтрин, супруга Эрвина — попадает в клинику Шарите, где её случайно разоблачает гестапо. Задача Штирлица осложняется: он остался без связи с московским руководством.

О том, что переговоры действительно идут в Швейцарии, и их инициатором является глава СС Гиммлер, Штирлиц знает точно. Он сам по поручению своего прямого начальника Шелленберга участвует в их обеспечении. Передать сведения в Москву Штирлиц поручает порознь двум антинацистски настроенным немцам: опальному пастору Шлагу и профессору Плейшнеру, брату одного из руководителей антинацистского подполья. С этой целью, пользуясь своим служебным положением, Штирлиц переправляет обоих в Швейцарию. Шлаг, кроме того, должен попытаться через свои связи в церковных и эмигрантских кругах добыть дополнительную информацию о контактах Гиммлера с англо-американским командованием.

Чтобы воспрепятствовать переговорам, Штирлиц решает использовать соперничество в высших эшелонах власти Рейха. Он идёт на прямой контакт с рейхсляйтером Мартином Борманом и сообщает ему о «предательском заговоре против фюрера».

Тем временем в руки начальника гестапо Мюллера попадают серьёзные улики, указывающие на Штирлица как на советского резидента. Штирлиц ведёт напряжённую психологическую дуэль с Мюллером, стремясь избежать провала. Объяснения, которые он может представить в своё оправдание, достаточно шатки, но Мюллер удовлетворяется ими. Штирлиц для Мюллера теперь — человек Бормана, контролирующего тайные финансовые дела Рейха. Шеф гестапо даёт понять Штирлицу, что заинтересован в нём и сейчас, и особенно после войны, когда нужно будет налаживать отношения с победителями и не опоздать к дележке «золота партии».

Ещё одна задача, которую приходится решать Штирлицу — спасение Кэт. Радистка, по указанию Штирлица, даёт согласие на участие в радиоигре. Штирлиц добивается права курировать эту операцию со стороны СД. Благодаря неожиданному повороту событий Кэт бежит с конспиративной квартиры, где её разместило гестапо. Штирлиц находит способ выехать вместе с нею в нейтральную Швейцарию.

Обращение к Борману даёт результат. Обергруппенфюрера Вольфа, представителя Гиммлера на переговорах с делегацией спецслужб США, отзывают в Берлин. Переговоры сорваны, задание Штирлица выполнено.

В Берне Штирлиц отправляет Кэт на родину, получает от Шлага ценные сведения о контактах Вольфа с американцами, восстанавливает связь с Центром, узнаёт о присвоении ему звания Героя Советского Союза и возвращается в Берлин, чтобы продолжить свою работу.