Joan Stanley nyder i al stilfærdighed sin pensionisttilværelse i en idyllisk lille landsby. Pludselig banker den britiske efterretningstjeneste, MI5, på døren, arresterer hende og begynder en række afhøringer. For Joan gemmer på en helt utrolig hemmelighed: hun har været én af de mest indflydelsesrige spioner i historien. I 1930’erne er unge Joan fysikstuderende på Cambridge University og hun forelsker sig hovedkulds i den attraktive russiske sabotør, Leo. Gennem Leo begynder Joan at se, hvordan verden balancerer på en knivsæg og må have hjælp til at redde sig selv, før det militære kapløb går amok. Da hun får job i et tophemmeligt atomforskningscenter, konfronteres Joan med et umuligt valg: Er du villig til at forråde dit eget land og dem du elsker for at redde verden? En spions bekendelser er inspireret af den sande historie om The Granny Spy, der som 87-årig blev afsløret som KGB-informant i 1999 til hele Storbritanniens store overraskelse.