1937年“卢沟桥事变”爆发后，在战云密布的上海，原国民政府国防部中校参谋、中共地下党员欧阳剑平（女），前来与中共地下党上级冯先生接头。两人刚见面，就遭遇了杀手的埋伏，冯先生险些遇害。欧阳剑平勇敢救出了冯先生。冯先生此番来上海，交给了欧阳剑平一项重要任务，就是召集几个在国外的军校同学，在上海组织一只秘密的特工组，与日特间谍机关展开斗争。几天后，欧阳剑平在码头迎接来自德国慕尼黑通讯学院访问学者、密码专家高寒（女）。她机智地在船上除掉了秘密盯梢的日本特务，随欧阳剑平安全回到了法租界的驻地。她们两家是世交，当年“九一八”时，欧阳剑平的父亲曾因为救护高寒的父亲而牺牲。此时，曾任国民政府驻东京领事馆武官的马云飞正在回上海的火车上。他是个英俊潇洒的男人，在火车上邂逅了一个美貌的女子。很快，他就识破了这个女人就是来上海日军宪兵司令部就任特高课课长的酒井美惠子。她是大特务土肥原贤二的高足，虽为女流，却足智多谋。他们的较量就此拉开了序幕。翌日黎明，马云飞巧妙地摆脱了酒井，与欧阳剑平等人会合了。可是，马云飞与高寒是过去的情人，如今相见，难免有些尴尬。当晚，他们三人去“百乐门”等候小组另一成员——来自英国考文垂机械厂工程师、爆破专家李智博。却意外地与酒井再次遭遇，虽然是歌舞升平，但其中闪动着刀光剑影。女人的手枪直抵马云飞的脑袋！
1937年2月，德国开始了大规模杀伤性武器原子弹的研制工作，但最终，由于制造反应堆的石墨纯度难以达标而受阻。日军在德国的授意下，派遣间谍吉川猛夫窃取到重要石墨资料。重庆政府震怒，军统人士老于找到五号特工组，正在筹备和高寒婚礼的马云飞不愿帮忙，却拗不过欧阳剑平等人。日特组织准备拿到资料后干掉吉川，吉川拼死逃脱。
高寒做了落跑新娘，跟随欧阳和李智博赶赴云南接受任务，马云飞和何坚也被迫出山，坐火车赶往昆明。日本方面派出了酒井美惠子的妹妹酒井朝香指挥昆明日特组织松鲤社处理吉川事件。火车上，马云飞结识了化装成女学生的酒井。李智博判断急于寻找盘尼西林的吉川已经被日本人抛弃，欧阳等人在昆明最大的临安药店守株待兔。果然，化装后的吉川出现了。
欧阳等人被吉川使计引开，吉川赶到药店却遭遇了酒井。马云飞和何坚悄悄赶到，藏在暗处的酒井惊讶得悉了两人身份。一通激战后，日特组织几乎全军覆没，酒井决定利用马云飞寻找吉川。吉川逃到自己在昆明的奶妈家里，让她找潜伏在美军史迪威训练基地的日本特工魏明磊帮忙。魏明磊带来了管制药物盘尼西林。吉川说准备将石墨资料卖给德国人，魏明磊大惊后同意。酒井使计接近马云飞。
李智博猜测史迪威基地内部出了内奸，基地负责人贾米森上校命魏明磊协助特工组查找内奸，大家调查基地最近的受伤人员以及盘尼西林的使用情况。敏感的马云飞将怀疑的焦点放在了魏明磊的身上，悄悄通知了欧阳等人。欧阳和高寒潜入魏明磊的房间，确定了他的内奸身份，决定顺藤摸瓜，找到吉川。警惕的魏明磊察觉到李智博和高寒的跟踪，甩掉了他们。