Une année de missions secrètes raconte l’histoire de trois filles d’une école privée qui sont obligées d’écrire des lettres à des garçons d’un lycée public de mauvaise réputation. Au cours de cette expérience, toutes les élèves apprennent ce que sont les attentes, l’honnêteté et elles-mêmes.
Lydia, Emily et Cassie sont trois filles de dixième année au lycée privé d’Ashbury, dans la banlieue de Sydney, en Australie. Dans le cadre d’un devoir d’anglais, elles doivent écrire des lettres aux élèves du lycée voisin de Brookfield, qui a une très mauvaise réputation. En plus de ce devoir, dans le cadre de leur amitié de longue date, Lydia confie périodiquement à Cassie et Emily des missions secrètes (ou « missions secrètes ») allant de la pâtisserie au vol à l’étalage. Le projet Pen Pal démarre de manière mouvementée, chaque fille ne sachant pas trop quoi révéler d’elle-même aux étrangers de Brookfield. Lydia écrit de manière provocante des caprices extravagants à son nouveau correspondant, Seb. Seb ne sait pas où se termine la réalité de Lydia et où commence le fantasme, mais se méfie automatiquement d’elle parce que son père est juge. Charlie, le correspondant d’Emily, prend sa lettre au pied de la lettre, la croyant fade et superficielle – mais Emily cherche simplement l’approbation de son professeur d’anglais avec sa lettre fade. Cassie raconte à son correspondant Matthew tout de ses séances de thérapie, mais ne révèle pas pourquoi elle suit une thérapie : son père est mort d’une leucémie l’année précédente, un événement qui a profondément affecté les trois filles. Matthew répond par des lettres brèves et violentes, sans vouloir connaître Cassie.
Au fil des lettres, les correspondants commencent à se faire confiance : Emily se charge d’apprendre à Charlie comment sortir avec quelqu’un, Lydia et Seb échangent des « missions secrètes » pour tester l’audace de l’autre, et après une longue correspondance unilatérale, Cassie et Matthew commencent à se rapprocher autour d’un amour commun pour la musique. Les « missions secrètes » de Lydia auprès de Seb consistent à lui faire échapper à ses examens en faisant des farces à Brookfield. L’une des farces implique par inadvertance Charlie, qui croit sauver l’école d’une fuite de gaz… pour finalement être humilié en découvrant que Brookfield n’utilise pas de gaz. En conséquence, Charlie est obsédé par la fille qui a fait la farce téléphonique qui a conduit à son humiliation, qui se trouve être Emily, en mission secrète de Lydia. Mais Emily ne veut pas révéler la vérité, l’exhortant à laisser tomber. Les trois couples de correspondants décident de se rencontrer : Emily et Charlie vont se rendre à un rendez-vous d’entraînement pour qu’il puisse éventuellement conquérir la fille de ses rêves, Christina, et au fil du temps, Emily et Charlie commencent à développer de vrais sentiments l’un pour l’autre. Lydia défie Seb dans une mission secrète dans laquelle l’un d’eux doit d’abord reconnaître l’autre dans un lieu public, en se basant non pas sur des photos ou des descriptions, mais sur leurs lettres : Lydia ne sait pas que Seb l’a déjà recherchée en ligne, et se méfie lorsqu’il l’identifie facilement. Cassie et Matthew acceptent de se rencontrer pour qu’elle puisse lui donner des informations sur les droits des enfants qui l’aideront à se sortir d’un problème à l’école, mais il ne se présente jamais. Lydia et Emily apprennent qu’il n’y a personne du nom de Matthew à Brookfield et commencent à craindre que Cassie ne devienne folle. Lorsque Cassie rencontre enfin « Matthew », un garçon dont le vrai nom est Paul Wilson, et qu’elle est cruellement raillée et moquée, les filles décident de se venger : voler la petite amie de Paul Wilson, Christina, à lui. C’est une situation gagnant-gagnant : Charlie peut être avec la fille qu’il aime et Paul perd ce qu’il aime le plus au monde. Le plan se retourne contre lui quand Emily admet qu’elle aime vraiment Charlie, mais avant qu’ils puissent aller à un vrai rendez-vous, Charlie réalise qu’Emily a fait le canular téléphonique à Brookfield qui l’a tellement embarrassé. Bien qu’elle s’excuse, il ne peut pas lui pardonner. De même, Lydia ne peut pas pardonner à Seb quand elle découvre qu’il avait vu sa photo dans un article de magazine sur sa mère célèbre avant qu’ils ne se rencontrent et qu’il avait menti à ce sujet. Cassie, qui admet avoir écrit à Matthew parce qu’il lui avait fait peur au début, a peur de traverser la vie effrayée comme son père. Sa peur s’aggrave avec la peur de ne jamais réaliser son rêve de devenir chanteuse, ni de faire quoi que ce soit pour rendre son père fier.
La colère de Seb éclate après que Paul raconte avec malveillance ce qu’il a fait à Cassie et qu’il le frappe, envoyant Paul chez le directeur pour faire expulser Seb. Avant qu’il ne puisse y arriver, les filles interviennent pour que Seb puisse se rendre à un concours d’art auquel il a participé. Elles utilisent l’ego de Paul contre lui, lui faisant croire qu’il a un rôle dans un film qui se déroule immédiatement. Les filles pensent avoir gagné leur revanche, mais se retrouvent en difficulté lorsqu’un témoin anonyme prétend qu’elles ont vandalisé Brookfield dans une rivalité dangereuse et croissante entre les écoles. Les professeurs d’Ashbury veulent lire les papiers privés de Lydia, Emily et Cassie afin de prouver leur implication dans les farces, mais les filles réclament leur droit à la vie privée et leurs parents avocats les soutiennent. Une audience informelle a lieu à l’école au cours de laquelle Emily présente un dossier pour défendre les droits des filles. Malgré ses craintes concernant sa propre intelligence, Emily crée un argument solide en faveur du droit à la vie privée des adolescents et remporte le procès. Cependant, les filles sont toujours les vandales présumées et risquent d’être expulsées. Seb, soupçonnant que le témoin soit Paul en train de se venger, emmène Cassie et Charlie pour pénétrer dans la maison de Paul, où ils trouvent des preuves qu’il a commis les crimes contre Brookfield lui-même. Ils se présentent à la réunion de l’école juste à temps pour empêcher les filles d’avoir des ennuis. Malgré sa réputation irréprochable, Paul ne peut pas se défendre et les filles sont disculpées.
En signe d’unité entre les écoles, tous les correspondants doivent participer ensemble au concert de printemps. Le livre se termine heureusement avec Emily et Charlie qui commencent à sortir ensemble, ainsi que Lydia et Seb, qui aide Lydia à réaliser son rêve de devenir auteur en illustrant un livre qu’elle écrit. Cassie, qui se rend compte à quel point la mort de son père l’a changée, trouve le courage de chanter une chanson lors du concert, en utilisant l’une des lettres de « Matthew » pour les paroles.