'Casino Royale' si apre con il battesimo del fuoco di Bond: con l'eliminazione di due traditori l'agente conquista i due zeri della sigla 007. Subito dopo entrano in scena i cattivi: il feroce guerrigliero ugandese Obanno, il suo braccio destro White e il misterioso banchiere albanese Le Chiffre, che ha l'incarico di investire in borsa il denaro sporco di Obanno. In un altro paese africano intanto Bond insegue ed elimina un pesce piccolo dell'organizzazione di Obanno, l'agilissimo bombarolo Mollaka. Dal suo cellulare parte una traccia che porta ad Alex Dimitrios, trafficante di armi e procacciatore di terroristi al soldo di Le Chiffre. Bond lo batte a poker, vincendo la mitica Aston Martin con cui condividerà tante avventure, va a letto con sua moglie (l'italiana Caterina Murino), e infine lo usa per scoprire il livello più alto dell'organizzazione, l'estremista Carlos.
Bond raggiunge Carlos all'aeroporto di Miami. I due si lanciano in un inseguimentio spettacolare tra gli aerei parcheggiati. Il terrorista alla guida di un'autobotte si lancia contro un preziosissimo prototipo di Boeing e Bond, su un carro attrezzi, riesce a stento a impedirgli di distruggere l'aereo. Per le manovre di Le Chiffre, questo è il colpo di grazia. A spiegare a Bond il meccanismo dell'intrigo guidato dal banchiere è M, la donna che dirige il settore spionistico M16: ancora una volta a interpretarla è la bravissima Judi Dench. M rivela a Bond che Le Chiffre è il responsabile degli intrighi che fecero seguire agli attentati dell'11 settembre una serie di speculazioni miglionarie sulle Borse americane: è uno degli agganci all'attualità destinato ad attualizzare una storia scritta più di cinquant'anni fa. Lo stesso sistema doveva essere applicato sulle azioni della Boeing, ma la mancata distruzione del prototipo ha ridotto Le Chiffre sul lastrico. Per recuperare il denaro dei suoi clienti, il banchiere organizza un torneo di poker multi-milionario. Bond viene quindi inviato nel Casino Royale del Montenegro per battere Le Chiffre al tavolo verde, nella speranza che il banchiere, schiacciato dai debiti, si consegni all'M16 spifferando segreti in cambio di protezione.
La storia ricomincia sul lago di Como, dove Bond si riprende dopo diversi interventi chirurgici. Una romantica vacanza a Venezia con Vesper sembra portare la vicenda verso un improbabile lieto fine: ma la donna scompare, e con lei tutti i soldi vinti a poker. Bond rintraccia la ragazza e la trova in balia di un brutto ceffo. Mentre i due combattono l'edificio fatiscente in cui si trovano inizia a crollare e Vesper rimane intrappolata nell'ascensore sommerso dall'acqua. Bond riesce a tirarla fuori, ma solo per vederla morire tra le sue braccia. "Il lavoro è finito. La puttana è morta", è il gelido commento dello 007. Solo più tardi scoprirà la verità: è vero che Vesper faceva il doppio gioco, ma lui le deve la vita. Dopo la morte di Le Chiffre la donna aveva fatto un accordo con White: la vita di Bond in cambio dei soldi vinti a poker. Il lavoro quindi non è finito. Il film si chiude quando l'agente ha raggiunto White. "Il mio nome è Bond. James Bond", gli dice prima di sfruttare la sua licenza di uccidere. E sui titoli di coda si ascolta per la prima volta il celebre tema musicale dei film di 007.