抗日战争时期，代号“木兰花”的中共特工柳叶飞从李部长那里接受了新的任务。因为她酷似日本驻上海领事安森的养女、日本特工美惠子，李部长决定让柳叶飞利用这个优势，潜入上海。日本女特工美惠子在跟踪军统女特工冷月，她安排人对冷月进行盯梢，就在密探电话上报冷月行踪的时候，柳叶飞打晕了密探，她找到了冷月，说自己是中共地下党，因为中共的电台被破坏，她要借军统的电台发电报。冷月同意合作。美惠子着急大队日本兵，日本兵赶到，冷月和柳叶飞顺利撤离。土肥原贤二命令美惠子必须绝对保证饿蟒行动的安全。土肥原为“饿蟒行动”的顺利实施，制造了许多假象。军统也安排特派员“孤鹰”潜入上海，谁也不知道孤鹰到底是谁，孤鹰也肩负着重要的任务。中共地下党的叛徒“菊剑”出卖了组织，日本军官伊藤利用菊剑的情报，屠杀了打量的中共地下党。伊藤的手下井上带兵四处剿杀地下组织。正是在这样的危难时刻，柳叶飞来到了上海，她第一个联系的就是药店的马掌柜。两个人顺利地接上头，但此时马掌柜已经被人盯上。马掌柜给她布置了任务，让她去百乐门舞台，接近伊藤，趁机获取重要情报。

阴险的伊藤假装不知道柳叶飞是共产党，他故意与她饮酒，拉拢她加入日本人的情报机关。柳叶飞与他斗智斗勇，趁机下药，柳叶飞盗取伊藤的钥匙，并嵌入他的办公室，查找机密文件。柳叶飞来到药店找马掌柜，她要马掌柜向上级汇报，中共中出现了叛徒菊剑。梁超和中共地下党分析行动失败的原因，大家都认为美惠子就是柳叶飞，认为她是叛徒。鲁汉知道江涛一直爱着她，他要江涛拿出他和柳叶飞的合影，以便大家辨认。江涛拿出照片，大家认定柳叶飞就是美惠子。江涛假装委屈。柳叶飞来找师父林宗昌，与二师兄黎笑天相认。黎笑天一直暗恋柳叶飞。大师兄江涛回来，他向柳叶飞倾诉了自己对她的思念，黎笑天在房间外听到这一切，心情十分复杂。鲁汉一直在跟踪柳叶飞，柳叶飞在河边与林少锋见面，鲁汉认为她行踪可疑，他向梁超报告了这一切。

上海街头，林少锋的车逼近日本特使松本的车。林少锋开枪射击，日本特使中枪倒在车内。伊藤和安森来探望受伤的日本特使，特使担心之前的秘密计划会受到破坏。柳叶飞在街头被人跟踪，她发现后试图摆脱，鲁汉带着几个中共地下党用枪威胁柳叶飞，鲁汉认定她是日本奸细，柳叶飞声明自己只是一名记者，她凭着精湛的武功脱身而去。军统唐汉杰计划收买柳叶飞的师父林宗昌，同时安排手下人对共产党实行盯梢。伊藤告诉美惠子，不要急于抓捕中共地下党马老板，要放长线钓大鱼，他要争取柳叶飞为日本人工作。鲁汉和秦姗姗来找柳叶飞的师父理论，要求林宗昌大义灭亲交出她。

柳叶飞十分同情小梅的不幸遭遇，便和她认作姊妹。林宗昌找到柳叶飞，带着他和自己最信任的于伯相见。柳叶飞得知自己还有一个妹妹，和自己长得一模一样。林宗昌将义和堂正式拜托给柳叶飞来管理，他让于伯来协助柳叶飞打理堂里的事务。伊藤下令让美惠子尽快找到孤鹰，并授意她将抗日势力一网打尽。鲁汉和黎笑天迟到一步。柳叶飞被当做是汉奸嫌疑人，被看押起来。当她的地下党身份明确后，因为她暴露了马掌柜的身份，被警告处分。军统在破译日本人的密码，一直暗恋林少锋的冷月趁机表白自己的爱情。林少锋分析出日本人故意在放烟雾弹。日本人也开始怀疑自己内部有共产党的奸细。美惠子的母亲笠原让美惠子离战争越远越好。伊藤和安森来请求日本将军派兵清理中国居民。马掌柜在教堂里做神父。柳叶飞来看他，并领取了新的任务。日本特使松本将要在花溪山庄有宴会，中共地下党和军统同时决定利用这个机会采取行动。

在花溪山庄，柳叶飞遇到和自己长得一模一样的美惠子，在打斗中，军统的人员也赶到。他们不知道山庄里面到底发生了什么。柳叶飞、小梅和日本兵展开了激烈的打头。柳叶飞驾驶摩托离开，她摆脱了日本人的追逐，将松本成功押回。小梅要杀掉松本，柳叶飞阻止。她安排小梅去教堂与马掌柜接头，汇报这次行动的结果。受伤的美惠子回到家中，安森告诉女儿，饿蟒行动的文件根本不在松本的身上，这些都是烟雾弹。柳叶飞和林少锋在酒吧约会，林少锋对柳叶飞展开追求。伊藤让菊剑抓紧了解柳叶飞的真实身份。柳叶飞开始怀疑马强是日本奸细。她旁敲侧击地开始试探马强。井上带着日本兵来到林府搜查，林宗昌镇定自若，井上一无所获。冷月来到林少锋的住所，再次表明自己的爱意，林少锋拒绝了她的表白，他心里爱着的是柳叶飞。柳叶飞已经确定江涛是日本奸细，马掌柜让她暂时假装不知道这个情况，继续和江涛保持恋人关系。