Deutschland Anfang der 60er Jahre. Lotte Reinhardt (Anna Maria Mühe) arbeitet, wie ihre Eltern, in einer Werft im Osten Deutschlands, ohne dabei jedoch ihren eigentlichen Lebenstraum zu vergessen: Lotte will Kosmonautin werden wie ihr großes Idol Juri Gagarin.
Geerbt hat sie diese Leidenschaft von ihrem Großvater, dem Raketeningenieur Dr. Arthur Noswitz, der, bis zu seiner abenteuerlichen Flucht aus der Sowjetunion für die russische Raumfahrtforschung arbeiten musste. Noswitz lebt inzwischen in Augsburg und entwickelt dort für die BTT (Bayerische Triebwerktechnik) neue Raketen-Antriebsformen. Und genau das ist der Grund, weshalb er und seine Enkelin Lotte ins Visier der Stasi geraten.
Als 1961 die Mauer gebaut wird, erhärten sich Lottes Zweifel am politischen System der DDR. Sie schließt sich einer Widerstandgruppe an, zu der auch ihr Bruder Kurt gehört. Holger, Lottes Freund, bekommt Wind davon und denunziert die gesamte Gruppe bei der Stasi. Es folgt ein großer Streit zwischen den beiden, der für Holger tödlich endet. Obwohl Lotte unschuldig ist, soll ihr der Mord an Holger in die Schuhe geschoben werden. Ihr bleibt nur noch die Flucht. Mit Hilfe ihres Bruders schafft Lotte es unter großer Gefahr, zu ihrem Großvater in den Westen zu fliehen. Lotte gelingt die Flucht auf abenteuerliche Weise über die Ostsee, doch Kurt wird verhaftet und ins Stasi-Gefängnis gesteckt. Die Stasi macht Lotte im Westen schnell ausfindig und schlägt ihr einen perfiden Deal vor: wenn sie die geheimen Forschungs-Ergebnisse ihres Großvaters und dessen jungen Mitarbeiters Oskar Herrmann ausspioniert und sie auf ausgeklügeltem Weg an die Stasi weitergibt, dann wird Kurt aus der Stasi-Haft entlassen. Da Lotte weiß, dass die Stasi nicht zimperlich ist, erklärt sie sich in ihrer Verzweiflung und um ihren Bruder zu retten bereit, den Deal einzugehen. Lotte wird zur Spionin der Stasi.
Doch das ist erst der Anfang. Schon kurz darauf nimmt die Stasi sie erneut unter Beschuss. Sie wird abgeholt, an einen geheimen Ort gebracht und man stellt ihr die immer gleiche Frage: “Wer sind Sie?”. Lotte ist völlig aufgelöst, als ihr Moll, ein Stasi-Offizier, eröffnet, dass die echte Lotte Reinhardt kurze Zeit nach ihrer Geburt gestorben ist.
Ein großes Familiengeheimnis, der Verrat an Arthur, ihr gefangener Bruder Kurt – und der Druck auf Lotte wird immer noch größer. Als sich Lotte und Oskar, der Mitarbeiter ihres Großvaters, ineinander verlieben und Lotte ihm die ganze Wahrheit sagt, schaltet sich der BND ein. Nun soll sie als Doppelagentin zwischen den beiden Seiten agieren. Und eine Frage ist dabei noch immer nicht geklärt: Wer ist Lotte Reinhardt?