Dans la France occupée, Shosanna Dreyfus (Mélanie Laurent) assiste à l'exécution de sa famille juive par le colonel de la SS Hans Landa (Christoph Waltz). Shosanna parvient à s'échapper et se retrouve à Paris où elle se construit une nouvelle identité en tant que gérante d'un cinéma.

Aux USA, un groupe de soldats alliés condamnés voient leur peine graciée si ils acceptent une mission suicide en France. Sous la conduite du lieutenant Aldo Raine (Brad Pitt), ils ont pour ordre de massacrer le plus de soldats nazis possible, et ce, dans la plus grande cruauté. Connus sous le nom de « The Basterds », Raine et ses hommes font équipe avec l'actrice allemande et agent double Bridget von Hammersmark (Diane Kruger) pour tenter d'assassiner les dirigeants du Troisième Reich.

Ils apprennent alors que tout l'état major allemand va se retrouver dans un cinéma pour assister à une représentation, celui-là même ou Shosanna travaille, et celle-ci prépare une vengeance très personelle.