一九三八年秋，東北日本特高課總部的課長土肥原賢二接到一封軍部一號發(fā)來的緊急來電，命令他全力保護可以一舉改變整個戰(zhàn)爭進程、進而迅速實現(xiàn)其大日本帝國夢想的“餓蟒行動”，土肥原賢二看到電文尾部“甲級絕密”四個字，舉槍殺死了惟一知情的日本女報務(wù)員。在哈爾濱某酒吧做服務(wù)員的國民黨軍統(tǒng)女特工冷月，被日本間諜盯梢和跟蹤，身為訓(xùn)練有素的軍統(tǒng)特工，冷月警覺的幾番測試有無被跟蹤，豈料后面跟蹤的日本間諜非常老到，連著三次變換行裝，最終摸到了軍統(tǒng)的一個秘密據(jù)點。就在他打電話通知總部派人來抓之時，電話亭的玻璃上映現(xiàn)他的身后出現(xiàn)一個戴著禮帽和墨鏡的人影。女扮男裝的中共特情人員柳葉飛(楊恭如 飾)將日本間諜當作見面禮送給冷月，并說服冷月借用軍統(tǒng)的發(fā)報機發(fā)送了一個緊急電報：“老鼠”即將上岸。由于叛徒的出賣，上海地下黨遭到嚴重破壞，柳葉飛接到指令，前往上海執(zhí)行秘密任務(wù)，獲取日本特使攜帶的秘密計劃并暗中調(diào)查和清除黨內(nèi)的叛徒。重慶軍統(tǒng)局二處的處長戴笠此刻也獲知日本特使負有秘密使命，速派特派員林少鋒(何政軍 飾)前去領(lǐng)導(dǎo)上海軍統(tǒng)調(diào)查此事。柳葉飛與林少鋒在客輪上相遇、相識，林少鋒對柳葉飛暗生情愫。柳葉飛到達上海，即刻與接頭人取得電話聯(lián)絡(luò)，并前往接頭地點霞飛路濟民藥店接頭。當她走進藥店，街上幾名扮作賣香煙和路人的日本特工盯上了她。原來，由于叛徒的出賣，濟民藥店這個聯(lián)絡(luò)點早已暴露，日特為了放長線釣大魚，沒有進行抓捕，而是采取秘密監(jiān)視，毫不知情接頭人馬掌柜向柳葉飛布置了任務(wù)。上海特高課課長伊藤，通過安插在中共上海地下黨的“菊劍”，一開始就得知了柳葉飛的身份，根據(jù)“菊劍”對柳葉飛的特殊了解，他決定采取計策，激化柳葉飛的性格弱點，得為己用。于是，與柳葉飛長相酷似、日本駐上海領(lǐng)事安森的養(yǎng)女、柳葉飛的雙胞胎妹妹美惠子被調(diào)往上海，經(jīng)過美惠子槍殺共產(chǎn)黨人員等幾次設(shè)計縝密的假象，成功地讓中共地下黨懷疑柳葉飛是日本奸細，并對其展開逮捕與鋤奸，“受不得委屈”的柳葉飛在心愛之人大師兄江濤(馬東延 飾)和同志們的逼迫下，為了澄清自己，說出了自己的真實身份和秘密行動，以及接頭人和接頭地點。然而，正當?shù)叵曼h人員前去求證之時，馬掌柜卻早已接到神秘人的線報，秘密失蹤。柳葉飛的嫌疑不僅沒能排除，反而更加說不清，這使得柳葉飛對共產(chǎn)黨的信念產(chǎn)生了“動搖”，一怒之下要求退黨。在密友小梅的幫助下，她逃脫了拘押，走上了與共產(chǎn)黨和軍統(tǒng)不相干的愛國之路。其實，身為中共高級特工的柳葉飛早在一下輪船，就感覺到被一個神秘人跟蹤，在進入藥店之前，她敏銳地發(fā)覺了敵特的監(jiān)視人員，就明白自己和聯(lián)絡(luò)站已經(jīng)暴露，根據(jù)種種跡象她猜到兩個師兄其中有一個是叛徒，也猜到了敵人的詭計，她未動聲色，決定將計就計，故意放大自己以前的性格弱點——脾氣倔，受不得委屈；然后便一步步按照敵人的計劃部署走，走向日本人設(shè)定的結(jié)果。通知馬老板轉(zhuǎn)移的神秘人正是她，因為她知道自己一旦說出馬老板，日本人定會對馬進行逮捕，好繼續(xù)讓她承受不白之冤。在別人眼里，她是一個被愛迷昏了頭腦的女人，她的種種言行，以及表現(xiàn)出對江濤的依賴，讓日特對她放松了警惕，以為她的一切都在掌握中，甚至還暗中協(xié)助她糾集幫會的勢力，在敵人的陰謀鼓動下，軍統(tǒng)與上海地下黨都認定她是漢奸，想盡辦法追殺她，她也因此慢慢接受日本人的拉攏，取得了日本人的部分信賴，直至后來出現(xiàn)了讓日本人棘手的神秘人，敵人沒有想到會是她。柳葉飛正是利用這種安全的身份暗中繼續(xù)自己的偵查，先是發(fā)現(xiàn)了大師兄江濤的通敵，直至最終查出了潛伏得更深、誰也沒有想到的真正的“菊劍”——副書記梁超。柳葉飛之前癡情的深愛著江濤，后來得知了江濤就是叛徒，并是殺害自己師傅的兇手，她由愛轉(zhuǎn)很，但為了掩護自己，她按照組織要求，繼續(xù)很痛苦得跟他談戀愛，包括談婚論嫁，博得他的信任。同時這種假象也讓愛她的林少鋒極為痛苦，而柳葉飛也不能挑明。最終她親手血刃了這個叛徒。柳葉飛在被誤解時期得到林少鋒的多次救助，兩人慢慢產(chǎn)生了感情，當兩人得知各自分屬不同的政治派別的真實身份后，彼此明知道不能也不允許與對方產(chǎn)生感情，但卻無法控制自己，愛情甜蜜而又痛苦。對日本人代號為餓蟒行動之真相的偵查幾經(jīng)波折，日特為了保障行動的順利實施，制造和釋放了多個假計劃和煙霧彈，先是刺殺蔣介石的行動、再是對蔣介石的誘降以及對重要國民黨要員的收買計劃、還有臺兒莊戰(zhàn)役作戰(zhàn)計劃、上海戰(zhàn)略軍火庫的建設(shè)等，幾次以為揭示了“餓蟒行動”的秘密，又發(fā)現(xiàn)都不是；任務(wù)每當要完成又出現(xiàn)新的情況與疑點，期間柳葉飛發(fā)現(xiàn)了諸如勞工沒有一個人活著出來、河流發(fā)臭、死魚、軍火庫戒備森嚴、軍火庫里并沒有軍火或只有許多過時的槍支、敵人用人體做了一個小范圍產(chǎn)品抽樣檢驗、輪船運來的原材料、大批轟炸機進駐上海、發(fā)現(xiàn)敵人研究風向的報告等很多可疑的端倪，終于層層揭開了“餓蟒行動”的神秘面紗。原來，“餓蟒行動”真正的執(zhí)行領(lǐng)導(dǎo)者不是引人矚目的特使，而是在特使的隨行人員中間的一名日本著名化學家，他研制成功了一種高致命的化學武器，此化學炸彈不同于一般的毒氣彈，擴散力強，在空氣中將久久彌漫，幾天后才會散去，現(xiàn)有的防毒面具對它不起作用，人畜吸入后將立刻嘔吐，然后七竅流血，缺氧而死。敵人以新建軍火庫為幌子，其實是在軍火庫的地下建造秘密生產(chǎn)基地。將生產(chǎn)制造500噸此化學武器，通過轟炸機攜至重慶和戰(zhàn)場前線上空拋下，在空氣中擴散，一舉消滅中國的政治中心和抵抗意志。日軍直接從實驗的最終步驟——人體實驗開始，拿活人做試驗。柳葉飛發(fā)現(xiàn)真相之后，與中共地下黨以及以林少鋒為首的上海軍統(tǒng)展開合作，采取了一系列措施來摧毀敵人的地下工廠。他們幾次化裝成勞工或化學家企圖想要進入地下工廠均遭失敗；選擇動用國民黨軍方的飛機轟炸其地下制造儲藏基地，將所有化學炸彈埋入地下，結(jié)果轟炸機被空中攔截和擊落，飛行員即將被捕，需要盡快行動；他們企圖用炸藥炸毀地洞，可至少需要幾十噸TNT才能炸毀那個地下基地，他們無法在敵占區(qū)籌集很多的炸藥；最后經(jīng)過重重困難，想盡一切辦法，他們最終選擇用火攻。柳葉飛扮作美惠子偷偷潛伏進入地下工廠，找到了地洞的通風管道，灌入石油，殺死了那些滅絕人性的日本科學家，毀滅了秘方，一舉徹底毀掉了那些生化武器……任務(wù)完成，柳葉飛奉調(diào)回根據(jù)地接受新任務(wù)，這時林少鋒接到命令，約柳葉飛出來勸其歸順，如果拉攏不成，讓他殺死柳葉飛，除掉后患。并由其他軍統(tǒng)特工監(jiān)督，如果他不動手，你們就動手。林少鋒最終沒有動手，反而將柳葉飛救走，一對戀人依依惜別。時隔多年，柳葉飛接到任務(wù)去一個舞會與同志接頭，發(fā)現(xiàn)接頭人竟然是林少鋒，喜極而泣，兩位高級特工在舞會上相互掩護，巧妙地完成了刺殺敵人的任務(wù)。