Kız Arkadaşım Bir Ajan, yıllar önce ayrılan bir adamla gizli bir ajan olan eski sevgilisinin yeniden karşılaşmasını anlatıyor. Jae-joon, sürekli yalan söyleyen Soo-ji’den ayrılır ve onun ardında bıraktığı boşlukla yaşamaya çalışır. Aradan yıllar geçer, ama ikisi de birbirini unutmamıştır. Soo-ji, geçmişte sakladığı görevlerin ve hataların peşinden gelirken, Jae-joon da artık gerçeği öğrenmek ister. İkisi yeniden aynı çevrede buluşur, ancak bu kez etraflarında Won-seok, Team Leader Hong ve Doctor Noh gibi kişiler vardır. Eski ilişki, yarım kalmış hesaplar ve gizli işler yüzünden yeniden zorlaşır. Soo-ji, yaptığı yanlışları düzeltmeye çalışır, Jae-joon ise ona güvenip güvenmeyeceğine karar vermeye çalışır.