"İki Başlı Casus" filmi, 1939 yılında başlayan ve İkinci Dünya Savaşı sırasında geçen bir casus gerilim hikayesini anlatıyor. Filmin konusu şu şekilde özetlenebilir: Alman Ordusu'ndaki malzemelerden sorumlu bir albay olan Alex Schottland, Birinci Dünya Savaşı'nın sonlarına doğru yerleşmiş, köklü bir İngiliz ajanıdır. Casus olmaktan bıkmaktadır, ancak arkadaşı ve antikacı kılığına giren İngiliz ajan arkadaşı Cornaz tarafından devam etmesi istenir. 1941'de Schottland, Almanya'nın Sovyetler Birliği'ni işgal etmek üzere olduğu bilgisini aktarır. Gestapo ajanı ve Schottland'ın şüpheli yardımcısı Kaptan Reinisch, Schottland'ın orijinal adını değiştirdiğini ve İngiliz soyundan geldiğini keşfeder. Schottland, bir personel toplantısında, şüpheleri gidermek ve sadık bir Nazi olarak kendi güvenilirliğini artırmak için Alman yüksek komutanlığı içindeki "yenilgilerin" düşmana askeri bilgi sızdırdığını iddia eder. Cornaz, kuryelerinin İngilizlere gönderilmesinin ardından tutuklanır. Schottland, antika dükkanının müşterisi olarak sorgulanmak üzere merkeze çağrılır. Orada, Gestapo memuru Müller'in Cornaz'a işkence yaptığı sırada, Cornaz'ın bağırsaklarına su zorlamak için bir yangın hortumunun kullanıldığı bir sahnede Schottland izlemek zorunda kalır. Tutuklanmasına rağmen, yüksek rütbeli bir Nazi olan Ernst Kaltenbrunner'ın müdahalesiyle serbest bırakılır. Schottland, çekici şarkıcı Lili Geyr'in İngilizlere askeri bilgi aktardığını fark eder. Birbirlerine ilgi duysalar da duygusal olarak karışmamayı kabul ederler, ancak Schottland aslında bilgi aktarırken onunla bir ilişki yaşıyormuş gibi davranır. Bu iddia, Geyr'e aşık olan Reinisch'i daha da düşmanlaştırır. Schottland, Bulge Muharebesi'nde Müttefik hatlarını aşma girişimiyle ilgili haberleri iletmek ister, ancak Geyr artık bilgiyi İngilizlere iletme imkanına sahip değildir. Schottland cepheye götürüldüğünde, ana yoldan ayrılır ve bir radyo vericisi aracılığıyla Müttefiklerle iletişim kurmaya çalışır, ancak onu kesen bir onbaşı vurmak zorunda kalır.