В центре событий фильма "Шпионские игры: Тринадцатый сектор" оказывается тайная операция ФСБ против террористической сети Аль-Каиды в Москве. Лидеры отделения в Лиссабоне стремятся завладеть чертежами секретной ядерной мини-бомбы, разработанной российскими учеными. Для достижения своей цели они направляют в столицу России агента Махмуда, который планирует использовать своего старого знакомого Михаила, работающего в Центре ядерных исследований.
ФСБ узнает о планах террористов и решает пресечь их намерения. В рамках операции сотрудник ФСБ Матвеев начинает игру под прикрытием: он женится на Ларисе и представляется научным работником, увлекающимся азартными играми в казино и имеющим долги перед мафией. Его задача - сыграть роль человека, который может предложить секретные материалы по разработке мини-бомбы за большие деньги.
Матвеев ведет опасную игру с Махмудом, который, в свою очередь, пытается контролировать своего нового союзника. Ситуация усложняется, когда к Матвееву обращается советник пакистанского посольства с предложением продать исследования по портативной ядерной бомбе, мотивируя это необходимостью остановить американскую агрессию.
В операцию вступает еще один сотрудник ФСБ - Вадим Ларионов. Ему предстоит передать Махмуду интересующие материалы. После напряженных событий и множества ловушек операция завершается успехом: Махмуд нейтрализован, а угроза для Матвеева, его "жены" Ларисы и ее сына устранена. Сеть Аль-Каиды в Москве раскрыта и уничтожена, предотвращая потенциальную катастрофу.
