Dans la France occupée par les Allemands, Shosanna Dreyfus assiste à l'exécution de sa famille par le colonel nazi Hans Landa. Shosanna s'échappe de justesse et s'enfuit à Paris, où elle se forge une nouvelle identité en tant que propriétaire et exploitante d'un cinéma. Ailleurs en Europe, le lieutenant Aldo Raine organise un groupe de soldats juifs qui se livrent à des actes de représailles ciblés. Connue de ses ennemis sous le nom de "Basterds", l'équipe de Raine rejoint l'actrice allemande et agent secret Bridget Von Hammersmark dans une mission visant à faire tomber les dirigeants du Troisième Reich. Les destins convergent sous le chapiteau d'un cinéma, où Shosanna est sur le point d'exécuter son propre plan de vengeance...