一九四六年，中国人民解放军在中原地区展开军事行动期间，捕获了当时正返乡探亲的军统北平站情报科副科长乔天朝。乔天朝在完成问题交代后，拒绝接受俘虏政策，并在试图逃脱的过程中被部队击毙。上级领导谢书记经过分析，认为当时军统与中统内部情况错综复杂，于是决定派遣刘克豪(任程伟 饰)假冒乔天朝的身份，潜入沈阳站进行长期潜伏，以配合我军后续的大规模反攻行动。
沈阳站机要秘书林静(韩雪 饰)在接到乔天朝后，将其送至站长徐寅初(巍子 饰)的住所。尚未落座，徐寅初便立即下达行动指令。沈阳站行动队队长马天成带领尚品等人，迅速赶往一处牙科诊所。此时，地下工作者正在诊所内召开会议，商讨上级派遣人员抵达后如何开展工作，未曾预料到敌人会突然破门而入。经过一阵激烈的交火，地下党成员全部牺牲。林静在清理现场时，从一名地下党人员的钱包中搜出了半张法币。
在随后举行的洗尘宴上，徐寅初向乔天朝出示这半张法币，询问其可能的用途。乔天朝意识到这是对方对自己的试探，于是回答这应当是用于接头的信物。徐寅初听后满意地点头，称赞他具备了一名职业特工应有的素养。当晚，乔天朝烧毁了那半张法币，内心感到无比沉痛。刚刚抵达沈阳，便目睹地下交通站的同志全部遇难，这一刻，他更加深刻地认识到此地斗争的残酷性。为了配合大反攻，他必须更加谨慎地继续潜伏。
乔天朝在沈阳站任职期间，表现出铁面无私的工作作风，为站里争取到大量经费，徐寅初由此开始认可他的能力。一次，徐寅初与乔天朝共同外出时遭遇袭击，乔天朝为掩护徐寅初而中弹。徐寅初当即下令，必须不惜一切代价抢救乔天朝。乔天朝伤愈后受到嘉奖，此举令马天成心中颇为不快，因他一直怀有升迁的愿望。
两年后，即一九四八年，林静庆祝生日，乔天朝等同僚前来祝贺。跳舞时，林静对乔天朝举止亲昵，她期待乔天朝能对自己有所表示。这两年来，她始终等待乔天朝向她表白，却一直未能如愿。徐寅初突然出现在生日会上，单独向乔天朝透露有机密信息外泄，要求他全权负责调查内部人员。同时，徐寅初当众宣布，为稳定军心，所有人员必须将家眷接来驻地，不得违抗命令。
乔天朝迅速将这一情报传递出去，请求组织协助。上级经过研究，决定派遣伍珍同志配合乔天朝工作，并由游击队长王迎香(王雅捷 饰)负责护送。王迎香性格直率，嫉恶如仇，在前往接应伍珍的途中，她端掉一处敌军哨卡，俘虏了几名敌方人员。然而，领导并未给予表扬，反而批评她行事过于鲁莽，缺乏周全考虑。
在后续的工作中，乔天朝继续以乔天朝的身份在沈阳站内部周旋。他既要应对徐寅初不时提出的考验，也要处理与林静之间微妙的关系，同时还需在暗地里完成组织交予的任务。马天成对他的敌意逐渐显露，时常在公务中设置障碍，试图找出破绽。乔天朝则始终保持冷静，以专业的态度处理各项事务，逐步巩固自己在站内的地位。
徐寅初对乔天朝的信任随着时间推移而加深，多次将重要事务交由其办理。乔天朝利用这些机会，谨慎地收集情报，并通过隐秘渠道传递至组织。伍珍同志抵达后，以合适身份为掩护，与乔天朝建立起联系，两人协同工作，逐步展开更深入的潜伏活动。王迎香虽因之前的行动受到批评，但仍积极参与护送与支援工作，并在后续任务中逐渐学会更策略性地行动。
沈阳站内部的氛围日益紧张，徐寅初对情报泄露的追查持续进行，每个人都可能成为怀疑对象。乔天朝在如此环境中如履薄冰，任何细微的失误都可能导致身份暴露。他依靠冷静的判断与敏捷的反应，一次次化解潜在危机，同时稳步推进配合大反攻的准备工作。这段潜伏生涯充满风险与挑战，乔天朝深知自己肩负的使命，始终坚守岗位，等待最终行动时刻的到来。