1939年的重庆面临着日军疯狂的轰炸，大后方的军民时刻处于危险之中。为了摆脱困境，重庆方面派出了得力干将秦敖和李克江，前往武汉劫持正为日军服务的“美国密码之父”雅德利，希望能借用他的能力建立中国“黑室”与日军进行密码战。潜伏在武汉的地下党陆涯准备遵从上级命令前往陕北，却意外地发现了妻子扈渝雯没有在电台上班，而且她似乎还有另一个丈夫。陆涯悄悄地试探着妻子，但是扈渝雯没显露出什么破绽，一切就象电台员工的玩笑。陆涯觉的自己应该相信妻子。李克江找到扈渝雯，告诉她有重大任务。原来扈渝雯是国民党安插在陆涯身边的间谍，而且她还是秦敖的未婚妻。秦敖几人商议劫持雅德利的具体事宜，但他们中间出现了叛徒。秦敖等人被日本特务追杀，在逃跑的过程中，秦敖负伤，从日军手中劫持雅德利的任务落在了李克江和扈渝雯的身上。

扈渝雯知道劫持任务完成后，她必须离开陆涯回到重庆，但是她已经深深爱上了陆涯。李克江告诉她一个金蝉脱壳的方法，能够诈死脱离组织和陆涯一起去陕北。秦敖找到陆涯，希望此次行动能够得到武汉地下党的帮助。在双方共同努力下，他们成功突破日军关卡，劫持了雅德利。扈渝雯也按计划实行了自己的计划，假装在爆炸中身亡，悄悄回到了自己和陆涯共同的家。不明真相的秦敖伤心欲绝，他告诉李克江他已经把所有的线索都指向陆涯，现在日军包围了这个共产党的家，危险正悄悄地逼向扈渝雯。李克江赶到陆涯家希望能带走扈渝雯，被共产党小谢发现。扈渝雯想用枪逼走小谢，倔强的小谢被屋外的日军打死，这一幕都被赶回的陆涯看见，他误会是扈渝雯杀死了自己的好兄弟，面对妻子是特务的真相，陆涯怒不可遏。这时，日本人开始炮轰小屋。

陆涯一行人利用下水道逃出，却遭到特务头子四姐的追击，为了能成功带走雅德利，陆涯单独开车引开敌人。雅德利利用混乱逃回到日本军手里，李克江和秦敖无法躲过搜捕，和许多平民一起被当成嫌犯关进了日军宪兵司令部。雅德利似乎有意放过了秦敖和李克江，没有向日本人指认他们。陆涯的车在江里爆炸了。渔民救起陆涯，逃过了日军的搜索，但是四姐知道陆涯并没有死，她暗地里继续追寻着陆涯的踪迹，扈渝雯也被特务盯上了。陆涯突袭四姐得手，狡猾的四姐用秦敖和扈渝雯的安全威胁陆涯，陆涯只能放过四姐。这一切，都让陆涯受到了党组织的怀疑，他被隔离审查了。现在只有扈渝雯能够继续执行寻找雅德利的任务，她在报纸上刊登雅德利的爱人相片，希望和雅德利见面，却不知道四姐的网已经向她张开了。

雅德利约扈渝雯在远东公馆见面，扈渝雯终于发现了潜伏在自己身边的日本特务，并知道了惊人的消息：四姐要炸死雅德利，并嫁祸给国民党，以挑拨中美关系。陆涯的审查有了结果，他得到了清白，也得知小谢并不是扈渝雯所杀。他现在的任务是混进日本司令部和秦敖他们串供，好让他们得以被释放。陆涯扫清了牢里的特务，取得了和秦敖的联络，成功解救出秦敖和李克江。四姐向雅德利坦白了要炸死他的计划。正当雅德利快被炸死的时候，藏在暗处的扈渝雯救出了他。在四姐的追杀下，他们躲进了教堂，丧心病狂的四姐开始枪杀任何出入教堂的人。困境中的扈渝雯向陆涯发出了求救的电波。雅德利被扈渝雯深深感动，为了保护她，雅德利再次落入四姐手中。

四姐的擅自行动遭到了日军宪兵司令部的指责，雅德利被带到了日军高官府邸。陆涯赶到教堂寻找扈渝雯，但是潜伏的特务让他无法接近扈渝雯，他想到了一个将计就计的办法。四姐假扮共产党接近扈渝雯，扈渝雯发现了四姐高级特务的身份，杀死了四姐，并抢夺了她出入无阻的证件，前往武汉空军军官府邸解救雅德利，但是她不知道这一切都是四姐的圈套。四姐等着把所有人吸引来后一网打尽。陆涯和秦敖巧妙地布置着计中计，他们找人假扮成自己，假装中了四姐的圈套。四姐自得地等着收网，不曾料到假扮成日本军官的陆涯一行人已经成功地带走了雅德利。雅德利对中国抗战能够胜利表示怀疑，李克江向自己开枪证明抗战决心，感动了雅德利。李克江死里逃生，陆涯和扈渝雯也冰释前嫌。陆涯作为共产党支持重庆黑室的技术代表同他们一起踏上了前往重庆的路途。