Pour s'emparer des découvertes scientifiques du professeur Sartème, réputé pour ses travaux nucléaires, un gang provoque l'accident de la Caravelle transportant le savant d'Orly à Toulouse. L'avion s'écrase en Italie, à la frontière de Trieste et Sartème, ayant échappé à la mort, est secrètement conduit dans une clinique de Turin, dirigée par le Dr Reichman, qui travaille pour les gangsters. Serge Vadil, alias l'agent X-13, des Services Secrets français, réussit à s'introduire dans la clinique. Grâce à la complicité d'une jeune infirmière qui devient sa maîtresse, il tente de découvrir les documents de Sartème et de le protéger. Mais son audace lui vaut d'être reconnu et il lui faut, sur l'ordre de ses supérieurs, céder la place à un nouvel agent, B-34, une jeune blonde, sensible au charme d'un faux malade de la clinique, Gherardt. Or, Gherardt appartient au réseau subversif responsable du vol des précieux documents et du rapt du savant.