В центре сюжета сериала "Матрёшка" - история Юли Морозовой, студентки Ленинградского университета, чья жизнь резко меняется в 1983 году. Она не подозревает, что её внешнее сходство с погибшей женой американского шпиона Джима Уиллера станет ключом к сложной операции КГБ. Контрразведчики, возглавляемые Волоховым, разрабатывают хитроумный план по выявлению "крота" в оборонной промышленности и для этого планируют внедрить Юлю в окружение Уиллера. Он приехал в Ленинград с целью встречи с агентом из секретного НИИ, и теперь Юля должна стать частью шпионской игры, где каждый шаг может быть последним.
Сюжет сериала напоминает многослойную матрёшку - каждая новая информация или действие раскрывает всё новые уровни интриги. Как и традиционная русская игрушка, история Юли имеет несколько слоёв, в каждом из которых скрыта своя тайна. Сходство с реальностью и вымышленным миром шпионажа создаёт напряжение между персонажами и зрителем, заставляя задаваться вопросами о том, кто на самом деле является охотником, а кто добычей в этой опасной игре.
