Сериал «Матрёшка» разворачивается в Ленинграде начала восьмидесятых. Главная героиня — обычная студентка Юля, чья жизнь круто меняется, когда её замечает американский разведчик. Он видит в ней черты своей погибшей жены, и этим решают воспользоваться советские контрразведчики.

Они предлагают Юле стать частью рискованной операции. Девушке предстоит изображать совсем другую личность, чтобы сблизиться с иностранцем и помочь выявить предателя в секретном научном институте. То, что начинается как игра, быстро перестаёт ей быть.

Сюжет строится на постоянном напряжении, где каждый шаг может стать роковым. Юле приходится балансировать между двумя мирами, всё глубже погружаясь в роль, которая стирает границы между притворством и реальностью. Её личная история оказывается вплетена в большую и опасную шпионскую игру.