时值盛夏时节。陕甘宁边区保安处所属特务队在承担护送中共中央领导人周恩来同志前往西安进行谈判的途中，所乘卡车突然遭遇一股武装匪徒的伏击。在激烈的交火过程中，多名警卫战士不幸牺牲，首长本人亦险些遭遇危险。这一突发恶性事件，使得中共中央情报部门主要负责人李木同志感到极度愤慨与震惊，随即向边区保安处处长周劲(郭铁城 饰)下达了限期破案的严厉指令。周劲内心深感愧疚与自责，这位经历过万里长征考验的干部当场立下军令状，誓言必须将潜伏在背后的敌特分子彻底清查出来，如若不能完成此项任务，便自愿卸下职务前往后勤部门从事饲养工作。策划并指挥此次袭击行动的，系隶属于所谓“反共救国军”陕西地下工作站的特务人员陈纪元。此人出身于富裕家庭，相貌俊朗，天资聪颖，且具备过人的胆量与谋略，然而其政治道路选择出现根本性错误，成为了汪精卫集团的坚定追随者。尽管此次袭击并未实际伤害到中共领导人，陈纪元仍然依照事先约定，为具体执行此次袭击任务的当地哥老会头目李青五提升了职务并发放了赏金，李青五因此喜形于色。
周劲与副处长王彬率领侦察人员，在城区内通过化装侦查的方式展开秘密调查，迅速锁定了潜伏于城内的敌方坐探。该名坐探伪装成一名售卖烤红薯的流动摊贩，正是通过这一身份探听到了边区保安处可能承担护送中央首长任务的动向。基于所获情报，周劲制定了“引蛇出洞”的作战方案，意图将那股土匪武装引诱出来并予以彻底歼灭。恰在此时，一位名叫晏西(陈紫函 饰)的女战士奉李木同志之命，前来边区保安处报到。一向对女性参与一线情报工作抱有偏见的周劲对此大为光火，当即表示要求将人退回。晏西在气愤之下果真转身离去。周劲随后被李木同志召去受到严肃批评，在得知晏西乃是无线电专业出身的大学生后，周劲勉强承认错误并将晏西接回，安排其负责电台监听业务，晏西以微笑接受了这一工作分配。
与周劲的态度形成鲜明对比的是，边区保安处历来是全由男性成员构成的机构，晏西这位容貌秀丽的女大学生的出现，自然在整个部门内引起了不小的波澜。附近小卖部内的牙粉被迅速抢购一空，每日饭前的列队报数以及集体唱歌的声音变得异常响亮整齐，这种变化使得周劲不得不对大家表现出的精神面貌提出表扬。
另一方面，“反共救国军”陕西地下工作站站长毛绪言亲赴陈纪元所在的甘泉县进行督战。毛绪言对陈纪元抱有高度的信任与赏识，两人之间不仅存在师生之谊，更是关系密切的友人。当毛绪言看到陈纪元正在潜心研读马克思列宁主义著作，尤其能够流利背诵《共产党宣言》的段落并加以深刻阐释时，内心更增添了几分钦佩。陈纪元向毛绪言坦言，他进行这些理论学习的目的，是为了有朝一日能够成功潜入延安地区。毛绪言闻之大喜，因为这恰好与他所带来的一个秘密计划不谋而合：即派遣人员潜入延安，执行刺杀中共最高领导人毛泽东的任务。毛绪言原本并未打算让自己这位深受器重的下属去执行这项几乎不可能完成的任务，但最终被陈纪元坚定的决心所打动，并从中看到了一线成功的希望。恰在此时，他们通过其他情报渠道获悉了边区保安处准备实施“引蛇出洞，歼灭土匪”计划的信息。毛绪言与陈纪元随即商定，将计就计，以牺牲李青五所属的土匪部队作为诱饵和掩护，用以麻痹边区保安处，从而为陈纪元潜入延安创造有利条件。
在晏西的坚决要求下，同时也为了让晏西亲身感受战场的残酷性，周劲特意指派警卫员李满屯全程保护晏西参与此次剿匪战斗。出乎意料的是，战斗中的晏西不仅毫无惧色，更展现出精准的射击技术，在关键时刻将李满屯从敌人的枪口下成功解救出来。这一表现令保安处的男性同志们大为惊讶，周劲更是感到难以置信。然而副处长王彬却从中察觉到了某些异常，他提醒周劲，这位女子似乎并不像上级单纯派来担任电台监听员那么简单。果然，战斗结束之后，晏西的正式任命也随之下达——她被任命为边区保安处副处长，而王彬则被调往敌占区开展工作。周劲对此感到愕然。
尽管此时周劲已经了解到，晏西这位毕业于南京中央大学的无线电专业高材生，不仅拥有丰富的地下工作经验，而且因其曾受教于外籍教师，对密码学等特工专业知识亦有研究，但他内心对于上级为自己安排一位女性搭档仍然感到非常抵触。晏西对此却毫不在意，无论是日常工作、业务学习、个人装扮还是生活中对浪漫情调的追求，她一样都没有落下。这种行事风格时常让周劲看着晏西皱起眉头，而保安处的其他同志则对此感到颇为欣喜。
在陈纪元紧锣密鼓筹备潜入延安事宜的同时，另一对日本间谍夫妇——孔凡与肖英，已经先期抵达了延安。孔凡与肖英二人原系苏联红军情报组织培训的特工人员，在苏联完成训练后，被派遣至日占区沈阳开展工作，主要任务是为苏联红军收集情报，同时也与中国共产党方面保持联络。不久之后，两人被日本军队逮捕。日军以强迫肖英充当“慰安妇”作为威胁，迫使孔凡最终叛变。此后，两人以需要前往延安向中共中央汇报工作为借口，来到延安进行情报收集活动。由于同属情报工作领域，他们的接待工作自然由边区保安处负责。周劲曾与孔凡在同一个短期训练班学习过，此次重逢倍感亲切，时常在一起交谈。当夫妇二人原定行程届满，保安处得知肖英怀有身孕时，周劲主动代为向上级请示，允许两人继续留在延安待产。在此期间，孔凡一直通过在《解放日报》上发表诗歌稿件的方式，与日军方面进行联系并传递情报。
晏西对孔凡产生怀疑，起源于两首被《解放日报》编辑部退回至保安处的诗稿。这种与特工职业常态不太相符的文学爱好，引起了晏西对孔凡诗作的兴趣。晏西设法找来了孔凡此前在《解放日报》上发表过的所有诗歌作品，经过仔细研读，她发现这些诗稿的文字中，似乎隐藏着某种特务通信中常用的文字密码的迹象。周劲虽然对这种文字游戏式的推测将信将疑，但仍然同意对孔凡、肖英二人展开进一步的调查。侦察员李然自初次见到晏西便心生爱慕，只是不敢表露，此时主动请缨承担对孔、肖二人的调查任务。
实际上，肖英内心一直不赞同丈夫孔凡的叛变行为，但又无法说服对方，同时她也深知叛变者最终的下场，因而只希望在生产之后能够尽快离开延安，早日结束这种灵魂备受煎熬的日子。与此同时，日军方面通过报纸传递的信息，确认孔凡夫妇已成功打入延安内部，于是加紧了特种作战部队的训练，准备伺机采取里应外合的方式，实施派遣特种部队潜入延安刺杀中共最高领导人的行动。