1936年秋，上海，中共上海地下党中层负责人向亦鹏(李光洁 饰)得到了组织中另一名负责人邹凯林身份暴露的消息。向亦鹏曾经在黄埔军校的同学——国民党特务处驻上海特别行动组组长阎天(廖凡 饰)指挥抓捕邹凯林。向亦鹏的公开身份是上海东亚大酒店的经理，在这一身份的掩护下秘密进行着革命工作。

邹凯林被阎天抓获，他的被俘一时间使中共地下党组织陷入被动。向亦鹏在直接上级“看门人”的安排下，立即展开对邹凯林的营救，撤销联络站、转移家属、制定营救方案。与此同时，上海青帮杜老大的一批烟土生意亦跟邹凯林有关，杜老大指使手下方孝(孙逊 饰)一定要找到邹，以绝后患。

为了尽快离开上海，作为交换条件，邹凯林将自己手中掌握的两条线索透露给阎天(廖凡 饰)，使阎天不仅抓获了邹凯林的上线，并与其安插在我党上海地下组织中的内线“A”取得联系，欲查出谁是“猫眼”。向亦鹏(李光洁 饰)在邹凯林的情人家中找到秘密账本，发现一切都在其计划之中。

此时，向亦鹏接到“猫眼”的情报，得知邹凯林已叛变，国民党特务处特别行动组组长阎天将亲自将邹凯林押往南京。为了安全地将邹送到南京，足智多谋的阎天制定了数个方案，他在特务处的死对头赵兴为了抢功，委托青帮杜老大在押运途中将邹凯林劫走，此事正中杜老大的下怀。

阎天(廖凡 饰)亲自押送邹凯林，半路上方孝(孙逊 饰)带着手下杀出，将车上的邹凯林打死。阎天跑到原先设定的地点伏击，而向亦鹏(李光洁 饰)却觉得事有蹊跷，并没有出击。原来，车上被打死的人并不是真的邹凯林，而是替身，这是阎天为了引出各方势力而设下的圈套。

向亦鹏带着手下安全撤离，阎天伏击中共地下党的计划落空，他意识到自己遇上了真正的对手。

赵兴以邹凯林被暗杀为借口排挤阎天(廖凡 饰)，阎天称病告假，但暗自仍在调查邹凯林留下的线索。林璇(秦海璐 饰)与阎天、向亦鹏(李光洁 饰)及其“女友”余铭真(尹媗 饰)聚会时，想起自己与向亦鹏曾经的种种，不禁怅然若失。一直深爱着林璇的阎天，不断地安慰她。

期间，余铭真出于同情救济游闲海(傅亨 饰)手下的男孩阿炳，与游闲海相识。

小马事件后，阎天(廖凡 饰)开始对杨修远(曹秋根 饰)产生怀疑。林璇(秦海璐 饰)在阎天向自己表白后，假意接受了他的感情，其实她是日本特务机关驻上海站负责人芥川的养女和眼线，在芥川的授意下接近阎天，目的是为得到更多的情报。

在东亚酒店，向亦鹏(李光洁 饰)与阎天(廖凡 饰)互相暗中观察对方，而赴外地公干的林璇(秦海璐 饰)突然回到东亚酒店，流着泪对向亦鹏剖白自己多年来对他的深深爱意，并希望两人仍然是最好的朋友，躲在暗处看到一切的阎天感到十分痛心。林璇此举实则为了掩饰到东亚酒店的真实目的——窃取中共会议的详细情报，而她的心里确实仍深爱着向亦鹏。

方孝(孙逊 饰)对游闲海(傅亨 饰)大肆虐待，并欲羞辱余铭真(尹媗 饰)，但被她身上的累累伤疤吓得目瞪口呆，游闲海趁机解开绳子，带着余铭真逃脱。向亦鹏(李光洁 饰)在看门人的指引下，找到了尤利钦科在上海的翻译、绰号黑鬼的胡奇冬。阎天(廖凡 饰)将胡奇冬抓捕，在严刑拷打下胡向阎供出了尤利钦科的真实身份，阎天命手下对尤利钦科进行追捕。

向亦鹏(李光洁 饰)找到别列佐夫的下落，将其枪杀，被暗中躲藏的特工看到并汇报给尤利钦科。向亦鹏筹办阎天(廖凡 饰)与林璇(秦海璐 饰)的订婚宴，欲利用晚宴缠住阎天，林璇听命于芥川的指示，在向亦鹏和阎天之间大玩“美人计”。而阎天在从林璇处获得的底片洗出的照片上，发现了特务处黑名单上的危险人物——日本间谍宫泽长田。

向亦鹏(李光洁 饰)带着一个人到被释放的尤利钦科面前，尤利钦科大吃一惊，此人就是几天前倒在向亦鹏枪下的别列佐夫，向亦鹏分析假尤利钦科是受到日本人指使的“冒牌货”。当我党地下组织正要对假尤利钦科进一步审查时，突然一声枪响，假尤利钦科被打死，杀手却不知去向，显然，我党上海地下组织中藏有日本人的卧底。

向亦鹏(李光洁 饰)开始调查我党上海地下组织内部的日本间谍内线，从蛛丝马迹中，他将怀疑的目标锁定为成员夏洪川。向亦鹏带人找到夏洪川，夏洪川却自杀了！向亦鹏从夏洪川家人口中得知夏洪川是被芥川收买，便再也找不到其他更有价值的线索了。

抗日战争爆发。杨修远(曹秋根 饰)秘密监视着日本军部，发现了芥川，想起当年因芥川而过世的妻子雅子以及失踪的女儿。他趁夜潜入戒备森严的芥川府邸，原来林璇(秦海璐 饰)竟然是杨修远与日本女人雅子的女儿，是芥川使杨修远夫妻阴阳两隔，并带走了林璇。

杨修远欲杀芥川而后快，却被芥川设下圈套抓获。

向亦鹏(李光洁 饰)从“看门人”老周留下的一幅字画中得知“军刀计划”，百思不得其解。阎天(廖凡 饰)在上海执行任务时，无意中被林璇(秦海璐 饰)撞到，并得知向亦鹏的下落，三位好朋友在危险重重的敌占区再次重逢。而“看门人”老周的下线豹纹被日军抓获，在芥川的折磨下，豹纹叛变。

阎天(廖凡 饰)接受重庆方面的命令调查“军刀计划”，在与情报员接头时，被已经投靠日本人的赵兴带人围捕，幸得陪酒女郎琳达的帮忙，才侥幸脱身。事后，阎天找到向亦鹏(李光洁 饰)，希望两人能合作一起调查军刀，然而向亦鹏却摆脱不了林璇(秦海璐 饰)的死带来的阴影，拒绝了阎天。

向亦鹏(李光洁 饰)终日昏昏沉沉，为防止意外事件发生，组织上决定安排向亦鹏离开领导岗位，去做一些外围的传递文书的工作。余铭真(尹媗 饰)对向亦鹏的消沉感到十分痛心，告诉他不能再这样逃避下去，不能忘记自己在党旗前的誓言。

黑衣人暗中监视着向亦鹏(李光洁 饰)的一举一动，向亦鹏假装借酒浇愁，并按部就班地做着汇款工作。而向亦鹏的动态早已经传到芥川的耳中，那个黑衣人便由芥川指派，因为芥川怀疑日军驻沪军部的山田文夫是中共卧底，而向亦鹏的身上有芥川所需要的证据。

阎天(廖凡 饰)找到高涛，欲带其离开，却被安滕暗中开枪打死高涛。高涛临死前，留下“18号虹口花园”等蛛丝马迹。阎天带着这些情报来找向亦鹏(李光洁 饰)，却发现“海上岛咖啡厅”已成一片汪洋火海，而向亦鹏也消失得无影无踪。

深夜，在芥川的公寓，林璇(秦海璐 饰)又出现在向亦鹏(李光洁 饰)的面前，原来，林璇并没有死，她承认自己一直以来都是日本特务，一切事情包括她的假死都是芥川的安排。向亦鹏震惊，质问林璇对自己的爱难道也是假的，林璇眼含着泪水表示一切都是有计划的，除了她对向亦鹏的爱。

向亦鹏踉踉跄跄地离去。

芥川与向亦鹏(李光洁 饰)的谈话继续展开，向亦鹏告诉芥川自己用“唐一鸣”的名字执行过我党地下组织的“暗影计划”。芥川加紧了对向亦鹏的审讯，对向亦鹏做外围传递文书的工作极其感兴趣，芥川认为向亦鹏执行的“暗影计划”一定与日本特工内部的中共卧底有关，目的就是获得“军刀计划”。

潜入芥川府邸的杨修远(曹秋根 饰)遇到林璇(秦海璐 饰)，他将珍藏的全家福给林璇看，就在关键时刻，芥川进入林璇房间，杨修远逃脱。林璇对照片中的日本女人雅子和杨修远本人产生了疑问，她询问芥川，却没有得到回答。

假洪强带着手下来到电影院，正要准备逮捕刘天辰时，赵兴等人闯入，破坏了假洪强的计划。阎天(廖凡 饰)和杨修远(曹秋根 饰)掩护刘天辰逃跑，却落入了假洪强的围堵，琳达为救阎天被假洪强打死。

看似陷入绝境的山田突然把林璇(秦海璐 饰)带到法庭上，并道出了林璇的真实身世，指出林璇的生父是中共高级特工杨修远(曹秋根 饰)，同时，作为芥川助手的林璇与在场的这位所谓中共证人向亦鹏(李光洁 饰)还是恋人关系，面对这两条有力的指证，形势瞬间大变。

种种情况表明，中共上级给向亦鹏的任务是假装变节，接近芥川，帮助芥川，打击山田，而结果山田解脱了，芥川却成了日军军部的阶下囚。

向亦鹏(李光洁 饰)从山田处获悉，“军刀计划”中最重要的一项就是生化武器的研究——目前研究的是一种叫“鼻疽”的病毒，此种病毒已经灭绝，但是日本人组织一些科学家令它复活，这种病毒可以导致人的四肢永久性溃烂，这也就是日本人要插进中国心脏的“军刀”。

参与“军刀计划”的中方雇员刘天辰携带“军刀计划”的核心文本潜逃，并欲将文本交给国民党，中共上海地下党组织明天午夜派人营救向亦鹏，欲抢先获取“军刀计划”。

山田从阎天(廖凡 饰)处逃脱，根据阎天提供的给他的暗号RX1638在日军军部找到了刘天辰的档案，发现刘天辰在上海瑞金医院就医的记录，山田立刻赶到该医院，在刘天辰住过的病房里找到了“军刀计划”的核心记录。向亦鹏(李光洁 饰)暗中监视日本军部，发现阎天深夜潜入，两人来到江边，决定联手共同调查军刀计划。

芥川以山田的名义与我党上海地下组织接触，冀望获取更多的证据，却被向亦鹏(李光洁 饰)等人识破，向亦鹏推断山田已经落入芥川的掌控。芥川致电竹中，告诉他山田在自己手里，等找到“军刀计划”的核心内容，就能让他知道自己才是军部不可或缺的人。

竹中下令地毯式搜捕芥川和山田。

深夜，山田服毒自尽，他临死前将一首古诗告诉了林璇(秦海璐 饰)：“人生五十载，天下里面，有如梦幻一般，得到一次生命，还有不死的人吗？”还是这个深夜，林璇悄悄地卸下了芥川枪中的子弹，随后在另一间房里，又按动着发报机，把这首古诗发给了向亦鹏(李光洁 饰)。

向亦鹏(李光洁 饰)快步来到山田曾包租了一年的大洋酒店房间，他坐在山田曾坐过的摇椅上，透过窗户，上海明昭寺的塔尖映入眼帘，聪明的山田文夫用这种“密语”告诉了向亦鹏“军刀计划”文本的藏匿地。中共上海地下党顺利地得到了日本“军刀计划”的全部文本。

最终，任务圆满完成，林璇(秦海璐 饰)又接受了新的任务。她和向亦鹏(李光洁 饰)之间何时才能重聚首？他们能否圆爱情之梦，今天？明天？也许永远不可能，因为他们的祖国正承受着灾难，下一场战斗在等待着他们。