Un agente anónimo de la CIA, conocido como "El Protagonista", participa en una operación SWAT encubierta en un teatro de ópera de Kiev, rescatando a un espía expuesto y capturando un extraño artefacto. Se le salva de ser disparado por un soldado enmascarado con una etiqueta roja distintiva en su mochila. El Protagonista es capturado y torturado antes de consumir una píldora de cianuro. Más tarde se despierta y se entera de que la píldora era falsa, sus colegas están muertos, el artefacto fue tomado, y que la misión de Kiev fue una prueba.
El jefe del Protagonista lo señala a una organización llamada "Tenet", que lo lleva a Laura (Clémence Poésy), una científica que estudia objetos como balas, cuya entropía ha sido invertida, por lo que se mueven hacia atrás en el tiempo, todos esos objetos fueron introducidos en una cápsula del tiempo, que en vez de moverse hacia delante, se movía hacia atrás. El Protagonista rastrea las balas a Priya Singh (Dimple Kapadia), una traficante de armas de Bombay y miembro de Tenet. Con la ayuda de Neil, un supuesto local, el Protagonista se infiltra en el complejo de Priya y se entera de que las balas son suministradas por el oligarca ruso Andrei Sator (Kenneth Branagh), que se está comunicando con el futuro. El Protagonista se reúne con la esposa alejada de Sator, Kat (Elizabeth Debicki), y descubre que Sator la está chantajeando con una pintura falsificada que le había vendido para mantenerla alejada de su hijo. Kat añade que la última vez que ella y Sator estaban realmente felices fue en su yate en Vietnam, donde más tarde vio a otra mujer saltar del barco.
Para poder tener la confianza de Kat, El Protagonista y Neil trabajan con el fijador Mahir (Himesh Patel) para robar la pintura de una instalación de almacenamiento en el aeropuerto de Oslo, estrellándose un avión de carga en el hangar como una distracción. Dentro de la instalación, encuentran una máquina de la que emergen dos hombres enmascarados, uno de los cuales está invertido. Después de desenmascarar el normal, Neil evita que el Protagonista mate al invertido. Priya más tarde explica que la máquina era un "Turnstile", un dispositivo de inversión de tiempo desarrollado en el futuro, y que los dos hombres enmascarados eran la misma persona. El Protagonista le miente a Kat que la pintura fue destruida, y ella organiza una reunión con Sator. Sator revela que tenía la pintura movida antes del accidente. Durante un viaje en bote, Kat intenta ahogar a Sator, pero el Protagonista lo salva. El Protagonista ofrece robar una caja de deseos de Plutonio Sator a cambio de la libertad de Kat. El Protagonista y Neil roban el "plutonio" de un convoy blindado en Tallin, pero se dan cuenta de que en realidad es otro artefacto.
Un Sator invertido captura al Prota y a Kat, la hiere mortalmente con una bala invertida, que es peor que una normal y corriente, y obliga al Protagonista a decirle donde está el otro artefacto. Sator se marcha, dejando a Kat y al Protagonista en las instalaciones, pero un equipo de agentes Tenet, liderados por Ives (Aaron Taylor-Johnson) y por Neil llegan y liberan tanto a Kat como al Protagonista, pero como no había manera de extraerle la bala a Kat, Neil y el Protagonista se la llevan a través de una Turnstile, viajando de vuelta al accidente del aeropuerto de Oslo una semana antes para revertir su entropía. Al entrar en el almacén, El Protagonista pelea con su yo del pasado invertido, dándose cuenta de que él era el enmascarado con el que peleo la otra vez, después llega al Turnstile y revertirse a sí mismo.
Priya le explica al Prota, que los artefactos son piezas de un "Algoritmo" desarrollado en el futuro capaz de invertir catastróficamente el mundo entero, y que los futuros humanos están usando a Sator para activarlo con el fin de prevenir los efectos del calentamiento global. Kat le revela al dúo que Andrei está muriendo por cáncer de Páncreas inoperable, deduciendo que al morir activaría el Algoritmo mediante un interruptor de hombre muerto, lo que causaría la destrucción del planeta. Kat cree que Sator ha viajado al día en el que ella y él estaba en su yate en Vietnam. Kat consigue invertirse a sí misma en el tiempo para impedir que Sator se suicide, mientras que Tenet rastrea el algoritmo ensamblado en una ciudad cerrada soviética abandonada. Los agentes Tenet realizan un "movimiento de pinza temporal", donde la mitad de sus tropas avanzan en el tiempo a la zona de explosión, mientras que la otra mitad se mueve hacia atrás. El Protagonista y Ives no pueden alcanzar el Algoritmo por una puerta cerrada, hasta que un cadáver enmascarado invertido con la etiqueta roja familiar en su mochila cobra vida, salva al Protagonista de un disparo y desbloquea la puerta. Kat mata prematuramente a Sator al igual que el Protagonista e Ives capturan el Algoritmo. Después Kat salta desde el barco mientras su yo del pasado la ve hacerlo.
El Protagonista, Neil e Ives rompen los componentes del Algoritmo y separan las piezas. El Protagonista nota una etiqueta roja en la mochila de Neil; Neil revela que una futura versión del Protagonista lo reclutó a Tenet años antes, y esta misión es el fin de una larga amistad que el Protagonista aún no ha experimentado. En Londres, Priya intenta matar a Kat, pero es asesinada por el Protagonista, que es el futuro cerebro detrás de Tenet.