Un illusionniste, Daniel Atlas (Jesse Eisenberg), son ancienne assistante, Henley Reeves (Isla Fisher), un prestidigitateur pickpocket, Jack Wilder (Dave Franco), et un mentaliste hypnotiseur aigrefin, Merritt McKinney (Woody Harrelson), sont recrutés par un mystérieux anonyme. Un an plus tard, ils forment « Les 4 Cavaliers », un groupe d'illusionnistes conduits par le charismatique Daniel Atlas. Ils font d'abord un show à Las Vegas, dans lequel ils surprennent le public en cambriolant, en direct et à distance, une banque en France et en faisant pleuvoir sur le public les billets de banque volés. Puis, à La Nouvelle-Orléans, ils dérobent les millions de leur mécène, Arthur Tressler, un assureur n'ayant pas indemnisé les victimes de Katrina, afin de les répartir sur les comptes bancaires du public, composé d'invités floués par Tressler. Dylan Rhodes (Mark Ruffalo), un agent du FBI, est déterminé à arrêter les illusionnistes avant qu'ils mènent à bien un projet de cambriolage beaucoup plus ambitieux, mais il se voit obligé de faire équipe avec Alma Dray (Mélanie Laurent), une détective française d'Interpol dont il se méfie immédiatement. Dans son désespoir devant la difficulté de l'enquête, Dylan contacte Thaddeus Bradley (Morgan Freeman), un animateur de télévision qui démonte les tours des magiciens dans ses émissions. Il leur révèle les secrets des illusionnistes, en les assurant que le vol de la banque a été réussi grâce à des déguisements et des trucages vidéo. Dylan et Alma s'accordent finalement sur le fait que « les Quatre Cavaliers » disposent de l'aide d'une cinquième personne et que sa capture est la clé de l'enquête. Alors que la pression monte et que tout le monde attend le spectaculaire show final des « 4 Cavaliers », Dylan et Alma s'efforcent de coincer le groupe d'illusionnistes...