Sommaren 1943 plundrar ett SS-kommando en rad odlingsanläggningar i Ukraina och södra Ryssland. Gruppen är på jakt efter fröerna i världens första genbank, en enorm samling av växtmaterial från jordens alla hörn. Med bytet hoppas man kunna lägga grunden till det jordbruk som ska livnära nazisternas tusenårsrike.
Den stora fröstölden är den dramatiska historien om tre män som verkade i tre olika politiska system – växtförädlaren Nikolaj Vavilov med en dröm om biologisk mångfald, SS-officeren Heinz Brücher som i växtgenetiken såg ett redskap för att skydda det tyska folket, och amerikanen Norman Borlaugs vars superfröer gav honom Nobels fredspris och innebar början på den kraftiga minskningen jordens biologiska mångfald.