一九四九年，解放战争已近尾声，上海地区仍被敌对势力所控制。某个深夜，一批爱国科学家在共产党组织的护送下进行转移，却遭遇国民党特务预先设下的埋伏。从美国留学归来的年轻女性丁芷寒(温峥嵘 饰)（温峥嵘 饰）当时正随同父母一起撤离，在危急关头得到地下党员祝中华(徐僧 饰)（徐僧 饰）奋不顾身的救助而幸免于难，但她的父母与其他科学家均不幸遇害，祝中华本人也在战斗中负伤并被敌人逮捕。由于连续多次行动遭受挫败，上海地下党组织内部开始怀疑队伍中可能存在叛徒，而诸多迹象似乎都将嫌疑引向祝中华，唯有他的义父况宝山（杨树泉 饰）始终对他抱有信任。此时，祝中华从国民党陆军医院成功脱身，党组织决定对他展开审查。当组织成员在丁家找到他时，一份被截获的敌方密电显示祝中华已经叛变，证据看似确凿，党组织因此准备对他执行处决，然而祝中华却在此时不知去向，党组织随即下达了追捕清除的命令。
丁芷寒通过调查逐渐发现，家人的遇害实为国民党特务所策划，背后的主使是保密局上海站站长于盛龙(张志坚 饰)（张志坚 饰）以及隐藏在内部的叛徒。得知祝中华被怀疑为叛徒后，她与祝中华约定以半年为期，暗中放他离去，自己则设法接近保密局通讯科科长兰飞(赵阳 饰)（赵阳 饰），并最终成为于盛龙的秘书。在此身份掩护下，她多次为党组织获取重要情报，并协助营救被捕同志。然而，代号“飞鹰”的叛徒真实身份依然未能查明。兰飞在察觉丁芷寒的真实背景后选择了默许与保护，但丁芷寒内心所倾慕的却是祝中华。由于叛徒的持续出卖，地下党组织接连遭受严重破坏，所有线索再次指向祝中华，祝中华最终被锄奸小组击毙。丁芷寒在悲痛之余，也因曾与祝中华私下联系而受到党组织的怀疑。
临近解放前夕，又一个代号“地龙”的叛徒出现，导致上海地下党蒙受重大损失。丁芷寒在于盛龙的保险柜内发现了任命贾中全为“飞鹰”的委任状，为查明“地龙”的真实身份，她选择继续潜伏，却因身份暴露而被关入死牢，甚至被党组织列入已死亡人员名单。上海解放后，丁芷寒与兰飞被人救出，他们重新回到于盛龙的办公室，在那里等待着他们的，是一个出乎所有人预料的结局。