一九三三年，国民政府针对苏区红军发起了第五次军事围剿。在这一背景下，中国共产党领导下的特别行动小队队长陈子萱(孙茜 饰)，依照事先的约定，前往一家酒楼与代号为“老枪”的红军高级情报人员会面。陈子萱提前抵达了会面地点。不久之后，红军高级特工陈松涛乘坐汽车抵达酒楼。陪同并负责其安全的是广州一位富商之子、思想进步的年轻人士戴向韬(张桐 饰)。陈松涛原为国民革命军参谋长，在武器装备领域具备专业知识，蒋介石曾派遣其前往德国获取ZB-26式捷克轻机枪的设计图纸。然而陈松涛在取得图纸后，转而投奔了红军阵营。此举令国民政府方面极为恼怒，公开宣称要活捉陈松涛。
陈松涛独自上楼，进入约定的房间与接头人相见。但当双方照面时，陈松涛与陈子萱均显露出意外的神情。尽管两人对接暗号与密语皆准确无误，陈子萱却始终难以相信陈松涛便是“老枪”。她以警惕且带有敌意的态度向陈松涛发出警告，表示念及过往的父女情分，自己不会对他采取行动。陈松涛正急于解释，不料尾随而至的国民政府特务已将他们包围。陈松涛与陈子萱迅速进行反击，陈松涛在过程中掩护陈子萱撤离现场。在楼下的戴向韬听到枪声后，立即前往接应，并协助两人成功脱离险境。
特别行动小队携同陈松涛，计划前往定南地区与红军主力部队会合。国民政府方面获悉此情报后，调动力量全力展开抓捕行动。所幸陈子萱等人及时遇到了前来接应的部队，得以顺利转移。此时的定南根据地正处于战火之中，硝烟弥漫。由于国民政府军队装备精良、弹药充足，红军部队在交战中不断后撤，上级最终不得不下达指令，要求部队撤出该根据地。然而，陈子萱所率领的小分队并未获悉这一最新情况，他们正携带图纸向根据地行进。根据地指挥部门因此决定，由莫团长率领一部分人员留守，等待小分队抵达。
戴向韬与队员瘦猴伪装成国民政府士兵，进入城镇购买电台损坏所需的电子管。由于缺乏电台设备，小分队与根据地失去了联络。但在行动过程中，因瘦猴的衣着不合身而引人怀疑，导致行踪暴露，小分队只得依照原定计划继续向根据地前进。此时，已掌握小分队行动动向的国民政府军队，在沿途多处设置了检查关卡，布下严密网络意图实施抓捕。一向机智多谋的戴向韬决定采取冒险策略。他让小分队全体成员伪装成国民政府士兵，而陈松涛与陈子萱则假扮被俘的红军人员，被绳索捆绑。戴向韬的原定计划是冒充押送红军俘虏的国民政府部队，以混过关卡检查。然而关卡守卫部队的军官为求立功，扣留了陈松涛与陈子萱。戴向韬唯恐身份暴露，只得带领小分队其余人员暂时离开关卡，前往前方等候与陈子萱父女会合。
陈松涛与陈子萱被关入哨卡库房。他们轻易解开了戴向韬事先绑缚的绳索，正寻找机会逃脱。不料哨卡的国民政府队长此时前来库房巡查，陈子萱父女随即应变，挟持了该队长，并索要一辆军用车辆以图离开。然而哨卡士兵暗中对车辆油箱做了手脚，陈子萱父女驾车未行多远，便因车辆故障而再次被捕。戴向韬等人在前方焦急等待，却迟迟未见陈子萱父女前来汇合。小分队副队长杨建邦(王铮 饰)推测情况可能生变，决定带队返回哨卡营救陈子萱。在哨卡处，他们的行动暴露，与国民政府守军发生激烈枪战。因兵力悬殊，小分队处境极为危急。就在此紧要关头，陈子萱父女驾驶一辆军用车辆疾驰而至，带领小分队冲出包围。原来此处关卡的守军隶属于周岳廷的部队，而国民政府副旅长邱祖荣不愿周岳廷独揽抓获陈子萱的功劳，因而故意纵放了陈子萱父女。但他已布置周密计划，意图亲自实施抓捕。
不久后，国民政府安排特务连连长化名孙富贵，设法混入小分队以获取图纸。小分队在转移途中，偶然遭遇正被国民政府军队追捕的孙富贵，并将其救下。孙富贵被救后，佯装心情沉痛地向陈子萱等人告知，根据地已经失守，自己与莫团长等人奉命留守接应小分队，但莫团长等人均已牺牲，他是唯一的幸存者，其任务是接应到小分队并护送他们与主力部队会合。陈子萱对此深信不疑，满怀感激地接纳了孙富贵。陈子萱带领小分队抵达定远时，所见却是一片残破景象，众人无不感慨叹息。小分队在定远尚未站稳脚跟，周岳廷便命令驻守定远附近的国民政府军官庞守义率部前往清剿。