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In una data chiamata "il 14", il Protagonista guida un'estrazione segreta della CIA durante un assedio terroristico inscenato al Teatro dell'Opera di Kiev. Viene salvato dalle forze del KORD da un agente sconosciuto con un gingillo rosso. Il protagonista recupera l'artefatto ma la sua squadra viene catturata e torturata. Ingoia una pillola suicida ma al risveglio scopre che si trattava di un falso, un test che solo lui ha superato. Viene reclutato da un'organizzazione segreta chiamata "Tenet", che lo informa sui proiettili a entropia "invertita" che si muovono all'indietro nel tempo. Insieme al suo supervisore Neil, li rintraccia a Priya Singh, un trafficante d'armi di Mumbai.

Priya rivela di essere un membro di Tenet e che i suoi proiettili sono stati invertiti dall'oligarca russo Andrei Sator, che comunica con il futuro. Sir Michael Crosby consiglia loro di rivolgersi a Kat Barton, la moglie separata di Sator, una perito d'arte che ha autenticato un dipinto di Goya contraffatto che Sator ha acquistato dal suo amico Arepo e che ora usa per ricattarla. Per ottenere l'aiuto di Kat, i due tentano di rubare il Goya dal deposito di Sator all'aeroporto di Oslo, ma vengono ostacolati da due uomini mascherati che escono da entrambi i lati di una macchina. A Mumbai, Priya spiega che si trattava di un "tornello", un dispositivo che inverte l'entropia: i due uomini erano la stessa persona, che viaggiava in direzioni opposte nel tempo. Rivela che Sator ha sabotato la sua squadra della CIA di Kiev, ma KORD ha ottenuto il manufatto, un campione di plutonio-241, e lo sta trasferendo a Tallinn.

Ignorando il suo fallimento nel rubare il Goya, Kat presenta il Protagonista a Sator, che intende ucciderlo finché non menziona Kyiv. Quando salva la vita a Sator dopo che Kat ha tentato di annegarlo, i due collaborano per intercettare il plutonio. Il Protagonista e Neil rubano il manufatto a Tallinn, ma subiscono un'imboscata da parte di un Sator invertito che tiene Kat in ostaggio. Il Protagonista nasconde l'artefatto e salva Kat, ma vengono ricatturati e portati al porto franco di Sator a Tallinn, dove il Sator invertito li interroga per sapere dove si trova l'artefatto e alla fine spara a Kat con un proiettile invertito. Le truppe del Tenet guidate dal comandante Ives arrivano, ma Sator scappa attraverso un tornello. Per salvare la vita di Kat, tutti si invertono. Il Protagonista invertito torna all'imboscata per recuperare l'artefatto ma incontra Sator, che lo prende.

Per disinnescare l'inversione, il Protagonista deve viaggiare indietro nel tempo fino al porto franco di Oslo e lottare con il suo io del passato per entrare nel tornello, seguito da Neil e da una Kat guaritrice. A Oslo, Priya gli dice che Sator ora possiede tutti e nove i pezzi dell'"Algoritmo", un dispositivo che serve agli antagonisti del futuro per invertire l'entropia del mondo e distruggere il suo passato. La donna aveva pianificato che Sator ottenesse il manufatto in modo da rivelare gli altri otto pezzi per preparare la sua morte. In base alla conversazione precedente con Crosby, il Protagonista capisce che si tratta di un ipocentro nucleare fatto esplodere il "14" a Stalsk-12, la città natale di Sator.

Su una nave Tenet in viaggio verso il "14°", Kat rivela che Sator ha un cancro terminale ed è onnicida. I due deducono che tornerà a un momento felice di una vacanza con la famiglia in Vietnam, sempre nel giorno "14", e si suiciderà, inviando le coordinate della goccia morta al futuro tramite un interruttore da morto. Arrivata al "14", Kat si reca in Vietnam per fingere di essere il suo passato e mantenere in vita Sator fino a quando le forze di Tenet a Stalsk-12 non recuperano l'Algoritmo. Utilizzano una "manovra temporale a tenaglia", con truppe non invertite e invertite che effettuano un attacco diversivo in modo che il Protagonista e Ives possano rubare discretamente l'Algoritmo prima della detonazione. Uno degli uomini di Sator, Volkov, li intrappola nell'ipocentro e Sator chiama dal Vietnam per spiegare che gli antagonisti stanno cercando di sfuggire agli effetti del cambiamento climatico.

Mentre Sator riattacca, un soldato invertito con un ciondolo rosso si sacrifica, permettendo loro di fuggire con l'Algoritmo mentre l'ipocentro esplode e Kat uccide Sator. Mentre distruggono l'Algoritmo per nasconderlo, il Protagonista vede il gingillo rosso sulla borsa di Neil. Neil rivela di essere stato reclutato nel suo passato da un futuro Protagonista e che i due si conoscono da molto tempo, ma che ora deve tornare alla linea temporale recente in cui un Neil invertito muore. Più tardi, mentre Priya sta per uccidere Kat grazie alle sue conoscenze, il Protagonista, rendendosi conto di aver creato lui stesso Tenet, uccide prima Priya.