1940年，年轻的医生唐承昌向金南植(蓝正龙 饰)介绍了自己的女友沈璇青。善良的日本人石田太郎对1644部队拿中国人做实验这种残忍做法不满。1644部队的负责人川本四郎(郑晓宁 饰)得知已经有人在注意他们的秘密行动。

上海地下党方面获悉“虎烈拉”即霍乱病，将揭开这个秘密的重大任务交给了地下情报人员沈璇青。石田太郎因为背叛日军被处死。唐承昌无法说服女友跟自己一起离开上海。这边，川本四郎(郑晓宁 饰)指挥日军在浙江省衢县投放“虎烈拉”。

川本四郎(郑晓宁 饰)得知衢县爆发疾病狂喜。我地下情报组织查明川本四郎便是制造细菌战的罪魁祸首，秘密下令消灭川本四郎。

川本四郎(郑晓宁 饰)躲过我方攻击。日本人对中国实施细菌战的消息像炸弹一样传开来，引起各方高度注意。我方得知偷袭川本四郎的行动失败，负责人老方布置沈璇青继续获取情报。

沈璇青受命拜访“干娘”，即上海闻人黄英侯的爱妾。黄英候得知被捕的杨正刚(刘昌伟 饰)有可能会把自己供出来。日军开始怀疑川本四郎(郑晓宁 饰)的弟弟平野有背叛日本的行为。

金南植(蓝正龙 饰)为了营救肯特绑架了平野。日军同意交换人质。沈璇青为此事担心，认为金南植想得太简单。

日军诈取平野，肯特没有获救。川本四郎(郑晓宁 饰)决定将肯特用作“原木”，让铃木教授为他注射“虎烈拉”病毒。沈璇青告诉谢尔盖，如果肯特是间谍，那么营救将非常困难，谢没有承认肯特的真实身份。

肯特感染病毒之后，病状比一般“原木”要轻，这个情况引起了铃木教授的关注，铃木告诉肯特自己将想办法帮他逃走。沈璇青告诉谢尔顿，一个名叫依萍的女人可能会知道肯特的下落。

交际花依萍告诉谢尔顿，肯特已经被处死。实际上肯特已经带着铃木的日记本逃出了1644部队。沈璇青报告老方，平野没有向日本特务机关头目松井(姚侃 饰)告发是金南植(蓝正龙 饰)绑架了他。1644部队发现肯特逃走，气氛相当紧张。

肯特投奔一位小镇上的陌生老太太。而这位老太太就是各方抗日力量聚集的“金蟹酒吧”老板张石先的母亲。谢尔顿从沈璇青处得知肯特还活着的消息，十分惊讶。而唐承昌得知消息急忙赶去告诉金南植(蓝正龙 饰)。

平野跟踪了前去找金南植(蓝正龙 饰)的唐承昌，三个人终于达成谅解。依萍监视谢尔顿等的行为被沈璇青发现，她设计向谢等人发出警报。沈璇青机警地结果了向日军发送情报的特务。

逃回来的肯特见到了自己的恋人娜塔莎，然后肯特找到谢尔顿，将铃木教授的日记本交给他，让他转交给平野。

平野见到筋疲力尽的肯特，并且看到了铃木的日记本，他得知自己敬爱的老师铃木在哥哥川本四郎(郑晓宁 饰)逼迫之下研制细菌武器大为惊讶，肯特要求平野从自己身上取得实验标本。肯特牺牲后，平野等含泪在他身上搜集各种标本。松井(姚侃 饰)等发现肯特尸体。

川本四郎(郑晓宁 饰)将肯特的尸体带回，认为这证明“虎烈拉”是成功的。平野他们的实验结果是，肯特身上是一种烈性很强的“虎烈拉”病毒，平野愤怒地要去找哥哥，被劝阻。娜塔莎被捕自杀。

谢尔顿见到松井(姚侃 饰)，松井的话透露出日本人已经盯上他了，谢茫然无措。为了取得他们的信任，谢交出肯特的一些间谍器材。

川本四郎(郑晓宁 饰)发现在他之前已经有人检验过肯特的尸体，下令一定要找出这个危险的敌人。川本四郎怀疑平野是日本国的叛徒。沈璇青将他们的紧张情况报告老方。谢尔顿刺杀川本四郎未能成功。

我方人员分析现在日军会把矛头指向平野，想出办法保护平野。经授意，平野装作被人追杀，找到川本四郎(郑晓宁 饰)，称自己因为不肯交出铃木教授的日记才有如此下场。

川本四郎(郑晓宁 饰)相信了平野的话，决定把弟弟带到自己那里加以保护。我方特工李修萍(顾艳 饰)告诉谢尔顿，川本四郎并没有死，并且马上会带着平野回到南京。

我地下特工李修萍(顾艳 饰)和鲁志洪跟踪了依萍和谢尔顿。平野悄悄地在研究从铃木教授日记本上撕下的一页1644部队整个平面布局的地图。

川本四郎(郑晓宁 饰)让平野进行“活体解剖”，平野不肯，川本重新开始怀疑自己的弟弟。

川本发现了平野保存的那份日记中的“炸药室”平面图，得知弟弟的“叛国行为”，川本四郎(郑晓宁 饰)让人残忍地给弟弟注射了“虎烈拉”病菌。

沈璇青等得知平野已经牺牲，密报谢尔顿，让他小心。

沈璇青一再告戒谢尔顿，危险可能已经向他逼近。谢尔顿从依萍处获悉，五箱“虎烈拉”已经进入上海。他连忙将这一情况告知沈璇青。

金南植(蓝正龙 饰)混入日本海军医院，证实了这个消息是正确无误的。

上级给了老方指示，团结一切力量，粉碎日军阴谋。谢尔顿接到美国方面的指示，要求他立即回国，不必参加此次行动。被捕的张石光(金鑫 饰)为了日军不伤害母亲，供出一切。

沈璇青见张石光(金鑫 饰)被捕之后马上回到“金蟹酒吧”，心中疑惑。因为张石光向日军招供，老母亲回家之后含恨自杀，受到刺激的张石光也绝望地纵身跳楼了。

李修萍(顾艳 饰)将这一切向老方作了汇报，我方判断，张石光(金鑫 饰)可能已经叛变，决定把原定后天对“虎烈拉”采取行动的计划改在今晚。沈璇青答应帮助谢尔顿安全离开上海。

我方炸毁“虎烈拉”的行动失败，年轻的唐承昌牺牲了。原来谢尔顿得到的“虎烈拉”已经进入上海的情报是假情报。川本四郎(郑晓宁 饰)决定今天将真正的“虎烈拉”运往上海。

李修萍(顾艳 饰)，鲁志洪及一切抗日力量前往机场阻击日军的“虎烈拉”进入上海，李修萍，鲁志洪在行动中牺牲了，罪魁祸首川本四郎(郑晓宁 饰)和松井(姚侃 饰)也被消灭，阻击“虎烈拉”行动终于胜利了。