1949, i Sovjetunionen kämpar författaren Boris Pasternak för att slutföra sitt livsverk, romanen Doktor Zjivago. Men KGB hyser misstankar om att romanen är anti-sovjetisk och när de inte obemärkt kan gripa den store författaren går de istället via hans musa och älskarinna Olga Ivinskaya. I hans ställe döms hon till fem års straffarbete i Gulag. Samtidigt som hon avtjänar sitt straff lyckas manuset ta sig utanför järnridån och bli en världssensation.
Det är 1956 och Kalla kriget rasar för fullt när den unga Irina Drozdova anställs som maskinskriverska för det nystartade CIA. Det dröjer inte länge förrän den verkliga anledningen visar sig. Hon har valts ut för ett specialuppdrag, och blir tillsammans med den glamorösa och sofistikerade Sally Forrester en av de två första kvinnliga spionerna att arbeta för CIA. Deras uppdrag: att föra tillbaka det litterära mästerverket Doktor Zjivago till Sovjetunionen.
Allt vi höll hemligt bygger på den sanna berättelsen om Doktor Zjivago. Om hjältar som verkar i det fördolda, om hemliga passioner, krossade hjärtan och om att härda ut. Men mest av allt handlar den om att kraften i en enda bok hade möjlighet att förändra världen.