En 1967, l’espion français Hubert Bonisseur de la Bath, alias OSS 117 (interprété par Jean Dujardin), est envoyé en mission à Rio de Janeiro au Brésil pour récupérer un microfilm compromettant. Convoqué par son supérieur Armand Lesignac, Hubert doit racheter un microfilm détenu par Von Zimmel, un ancien dignitaire nazi réfugié Sur place, Hubert doit faire équipe avec Dolorès Koulechov (Louise Monot), une séduisante lieutenante-colonelle du service secret israélien (le Mossad), qui recherche elle aussi l’ancien nazi. Leur périple les mène à travers différents décors du Brésil (de Rio jusqu’à Brasilia en passant par les chutes d’Iguaçu). Ils croisent notamment Heinrich (Alex Lutz), le fils hippie et original de Von Zimmel, qui les envoie sur la piste de son père.