Fay Grim er en enlig mor som pludselig bliver kontaktet af CIA, der fortæller at hendes eksmand er død. CIA er nu på jagt efter hans hemmelige dagbøger, hvis indhold kan true hele menneskeheden. Fay bliver trukket ind i et dødsensfarligt spil, hvor alt afhænger af at dagbøgerne ikke havner i de forkerte hænder.