Dans cette nouvelle aventure, James Bond doit empêcher un riche industriel, Auric Goldfinger, de réaliser l'opération Grand Chelem : détruire Fort Knox, pour accaparer le marché mondial de l'or.
Dans la séquence de pré-générique, James Bond pénètre dans la base d'un baron mexicain de la drogue par la mer. Il est équipé d'un matériel à air comprimé et porte une combinaison de plongée étanche camouflé en canard. Bond détruit la base secrète et électrocute un assassin dans une baignoire.
L'histoire principale débute à Miami Beach, en Floride. A l'hôtel Fontainebleau, l'agent de la CIA Felix Leiter transmet à Bond un message de M demandant de surveiller Auric Goldfinger.
En observant sa cible, 007 s'aperçoit que Goldfinger triche au gin rami ; en se substituant à sa complice, Jill Masterson, Bond force Goldfinger à perdre. Puis Bond et Jill consomment leur nouvelle relation dans la suite de l'agent secret.
Alors qu'il cherche dans le réfrigérateur une bouteille de Dom Pérignon 1953, Bond est assommé par le majordome de Goldfinger, le coréen Oddjob. Ce dernier recouvre le corps de Jill de peinture d'or, la tuant par asphyxie, la peau ne respirant plus.
Aston Martin DB5
À Londres, Bond apprend que sa mission consiste à établir comment Goldfinger fait passer les frontières à l'or. Il est doté d'une Aston Martin DB5 munie de nombreux gadgets tel qu'un siège éjectable.
Dans le club de golf du marchand d'or, 007 lui propose un parcours avec pour enjeu un lingot d'or nazi ; Bond gagne la partie en substituant la balle de son adversaire qui est alors suspecté de triche. Énervé, Goldfinger lui demande de rester en dehors de ses affaires, mais l'agent secret le suit jusqu'en Suisse.
Alors que Tilly Masterson dresse une embuscade sur la route de Goldfinger afin de le tuer et venger sa s?ur, Jill, mais James Bond déjoue sans le vouloir la tentative.
Notre héros pénètre dans l'usine de Goldfinger et entend celui-ci parler de l'opération « Grand Chelem » avec un agent chinois, M. Ling. En partant, 007 retrouve Tilly alors qu'elle tentait d'assassiner à nouveau le marchand d'or, mais ils déclenchent accidentellement une alarme.
Tilly est tuée par Oddjob et Bond est capturé après une poursuite en voiture. Il est attaché à une table qu'un laser commence à découper. 007 raconte que le MI6 a connaissance de l'opération « Grand Chelem » et Goldfinger décide d'épargner l'agent secret afin de laisser croire que ce dernier domine la situation.
Bond traverse l'Atlantique dans l'avion privé de Goldfinger, piloté par Pussy Galore, à destination de son haras près de Fort Knox, Kentucky. James Bond arrive à assister à la rencontre de Goldfinger avec des gangsters qui ont apporté le matériel nécessaire à l'opération. Un seul des bandits ne sera pas asphyxié, M. Solo, qui doit être conduit à l'aéroport, mais le chauffeur, Oddjob, le tue et la voiture est écrasé dans une casse, avec le corps encore à l'intérieur.
Autour d'un verre, Goldfinger expose à 007 les détails de l'opération Grand Chelem. Il souhaite irradier le stock d'or américain stocké au dépôt de Fort Knox avec un engin atomique fourni par M. Ling. Cette bombe rendra le stock d'or inutilisable pendant 58 ans, ce qui augmentera grandement la valeur de l'or détenu par Goldfinger. La crise économique qui résultera en Occident donnera également à la Chine un avantage majeur.
L'opération Grand Chelem est déclenchée par l'épandage d'un gaz létal sur Fort Knox par l'équipe féminine de pilotes du Flying Circus de Pussy Galore. Mais James Bond a séduit Pussy et l'a persuadé d'informer la CIA et de substituer au gaz mortel un produit inoffensif.
Les militaires feignent la perte de connaissance, les agents chinois dynamitent le portail de Fort Knox et pénètrent à l'aide du laser. Goldfinger arrive alors par hélicoptère avec la bombe à laquelle 007 est attaché. Après les avoir déposé dans la réserve d'or, l'armée encercle les bandits mais Goldfinger a prévu une échappatoire : il retire son manteau, laissant apparaître un uniforme de l'armée américaine. Il tue M. Ling et les soldats qui tentaient d'ouvrir le coffre, avant de s'échapper. Un technicien de Goldfinger, Kisch, forcé de s'abriter dans le coffre, tente d'arrêter le décompte de la bombe, mais Oddjob le jette d'un escalier. Bond récupère les clefs de ses menottes sur le cadavre et s'engage un combat avec Oddjob à coups de jets de chapeau tranchant.
Alors que le majordome de Goldfinger essaye de récupérer son chapeau lancé sans succès par l'agent secret, ce dernier applique sur la grille les câbles sectionnés plus tôt lors dans la bataille et électrocute Oddjob. 007 parvient à ouvrir le mécanisme de la bombe à l'aide de deux lingots mais le dispositif dévoilé le déconcerte et le compte à rebours laisse peu de temps. Il tente d'arracher au hasard certains fils mais un spécialiste atomiste passe son bras par-dessus son épaule et tourne un interrupteur. Le minuteur est arrêté sur « 007 ».
Alors que James Bond se rend à la Maison Blanche rencontrer le président Lyndon Johnson, son avion est détourné par Goldfinger qui a obligé Pussy Galore à voler vers Cuba. Bond et Goldfinger se battent et une balle traverse un hublot, créant une dépressurisation. Goldfinger est aspiré dans le vide, Bond aide Galore à sauter en parachute avant que l'avion ne s'écrase.
Dans la scène finale, Leiter est en hélicoptère à la recherche de l'agent secret qui avec Pussy se soucie peu d'être secouru.