Сериал «Матрёшка» рассказывает историю обычной студентки Юлии, чья жизнь в один миг перестала быть её собственной. Ленинград начала восьмидесятых, учёба в университете и тренировки – всё это отступает на второй план, когда девушку замечают сотрудники госбезопасности. Поводом становится не её знания или умения, а лишь случайное, почти мистическое сходство с женщиной из прошлого важного иностранца.

Этим иностранцем оказывается американец Джим Уиллер, приехавший в СССР под прикрытием. Контрразведка во главе с опытным Волоховым подозревает, что в закрытом научном институте, связанном с обороной, орудует вражеский агент. Чтобы выманить его и выйти на след, они решают использовать Юлю в качестве идеальной приманки. Ей предстоит сыграть роль, для которой нет ни сценария, ни репетиций, – роль женщины, которой она никогда не была.

Вся операция держится на тонкой нити доверия и обмана. Юле приходится забыть о себе, чтобы вжиться в чужую судьбу и приблизиться к Уиллеру. С каждым шагом граница между игрой и реальностью стирается, а ставки растут. От её действий теперь зависит не только успех секретной миссии, но и её собственная жизнь, которая уже никогда не станет прежней.