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1944年伪满统治下的哈尔滨，伪装成铁路巡警的地下党宋卓文（秦昊 饰），被特务科科长关雪（杨幂 饰）误认为自己的救命恩人——其实是卓文失散多年的双胞胎哥哥宋卓武（秦昊 饰）。卓文为查清关东军课长浅野大吾来哈尔滨的最高任务，将计就计利用关雪进入特务科，可是宋卓武却突然出现，使卓文陷入始料未及的困境。关雪冷血多疑，心狠毒辣，卓武生性冲动，经常无意间破坏卓文的行动，在上级的安排下，才使得两兄弟相互配合，彼此掩护，经历数次的试探，避开特务科内部同事的明争暗斗，终于取得关雪和日方高官的信任。在这短短一年的时间之内，地下党人们经历千辛万苦查清并阻止了日军和苏联共谋的秘密行动，揪出潜伏在我党内部的伪满特务，迎来战争最后的胜利。
一个身负重伤的女人，蹒跚的来找中共地下党老段接头，暗号全都能对上。看到女人受伤，老段急忙把她带回家，正在要交接情报时，老段发现这个女的不像是山上下来的人，应该是伪满特务，正好外围的卓文开枪示警。于是老段把情报藏好，准备逃跑，但被特务抓住。而这个伪装成重伤的女人，正是哈尔滨警察厅特务科科长关雪。在哈尔滨（伪满）警察厅特务科的刑讯室内，特务科科长关雪正在对中共地下党人老段严刑拷打，但是一无所获，关雪随后叫来一名针灸大夫石医生，让他用针灸使其痛不欲生又不至丧命，以逼他开口，石医生观察后报告关雪说此人现在身体情况危急，可能会在过程中熬不住，关雪表示宁可错杀不能放过，石医生得令后开始下针，果然没多久，老段在针灸中停止了呼吸和脉搏。关雪只好作罢。原来针灸大夫石医生也是我党同志，他通过此方法救出了老段，从乱葬岗拉走了假死的老段，后用针灸使其苏醒。关雪意识到可能有问题后已经晚了，下令全城搜捕。老段交待石医生，赶紧把一个藏有情报的烟斗交接出去。
晚上宋卓文来铁路边找情报，被关雪与潘越带人发现。宋卓文谎称是找小偷的脏物。潘越对宋卓文进行了搜身，没有发现情报。第二天广场上一名摆摊少女谢月被日本人欺负，宋卓文上前说情，但日本人不把他放在眼里，后宋卓文的上司警佐渡边过来帮了谢月的忙，但是宋卓文很快察觉出渡边另有所图，果然跟踪发现渡边将谢月引至一仓库准备实施侵犯，卓文情急中和谢月一起杀死了这名日本警长渡边。关雪要请卓文吃饭。卓文找到老钱后报告情报交接经过，表示情报并未顺利交接，但也未被特务科获取，也告知被关雪误认他为双胞胎哥哥宋卓武的事情。卓文认为这是他打入特务科内部唯一的机会。当晚聚餐，卓文还差点没认出来，当年与卓武一起逃难过的关雪的弟弟关凯。聚餐后，卓文随特务科的人来到渡边的凶杀现场。卓文在现场分析了一些案发细节，得到了关雪的赏识。关雪邀请卓文加入特务科。
宋卓文进入特务科后，总被胡彬挑衅，不管是组装枪械还是格斗，都吃了亏。卓文说自己在警队很少开枪，大家对他的说辞不置可否。潘越以锻炼新人为由安排三人（宋卓文、田小江、丁鹏）对针灸大夫石医生进行审讯，他判断如果有地下党一定会利用这个机会和石医生接触，宋卓文险些中了圈套，好在及时判断出了这是一个陷阱，最后将计就计，没有出现破绽。特务科发现了石医生妻子的线索，是一名刚生产完的产妇，关雪下令赶紧找到她，卓文跟着田小江以想立功为名，跟了上去；在医院里，潘越正在严格搜查，眼看就要找到石大夫的妻子了。
宋卓文临危利用田小江使了一招移花接木，并与老钱里应外合，使关雪将嫌疑彻底锁定在了田小江身上，并安全转移了石医生的妻儿。田小江在监牢里垂死挣扎，说卓文的钢笔有问题，是杀害渡边的凶器。但卓文早就提前解决了这个破绽。田小江再无抵抗手段，在特务科被屈打成招，关雪认定为他是情报中显示的那名打入特务科的中共地下党，田小江很快被日本人带走，宋卓文的嫌疑被解除了，也得到了关雪进一步的信任。关雪请宋卓文到家里吃饭，虽然卓文还没来得及拼好记忆拼图，但也只得前往。果然在饭桌上，关雪神秘的说，今天做的菜是卓文最爱吃的菜 ，宋卓文并没有完美的回答上这个问题，关雪很诧异。宋卓文知道以后类似的问题还会接踵而至。宋卓文将石医生妻儿已安全转移的消息传达给了在审讯室的石医生，得知此消息的石医生深感安慰，深知很难活着走出特务科，也为避免连累其他同志，准备牺牲自己，牺牲前告知宋卓文，在火车站拿走情报的可能另有其人，身穿西装，脚踏黑白英国皮鞋。
宋卓文开始搜寻线索寻找那天可能拿到了情报的人，一名穿着西服的男子。而特务科情报股股长潘越也在搜寻线索进行调查，两人顺着线索，一路赛跑寻找，几乎同步找到。但宋卓文最终还是早了一步，抢先追查到那名叛徒，谈判无果后开枪打死了他。虽然卓文打死了叛徒，但藏有情报的烟斗却还是被特务科的人搜了出来，他们取出了藏在其中的胶卷底片，关雪将胶卷锁进了保险柜。日军情报机构派到哈尔滨的关雪上级浅野大吾，在来哈尔滨的途中遭到暗杀，但并没有死，受伤住进了医院。浅野大吾告诉关雪，这名杀手可能是曾多次在多地暗杀过他的一名杀手，一个绰号叫“满洲罗宾汉”的抗日份子。关雪向浅野大吾建议，对外放出浅野大吾要出院的消息，引诱这名抗日份子再次现身，设下埋伏实施抓捕，浅野大吾同意了这个建议。关雪同时向浅野大吾汇报了胶卷底片的事儿，浅野大吾要求关雪赶紧拿给他看。
胡彬与潘越请宋卓文吃饭，宋卓文通过现场陪酒的谢月制造了点事端，结束了晚宴。然后宋卓文潜入了关雪的办公室，正准备设法打开保险柜取情报的时候，传来了关雪用钥匙开门的声音。宋卓文躲到了窗帘后面，只能眼看着关雪从保险柜取出胶卷交给了浅野大吾的副官，侥幸未被发现。关雪布置完明天抓捕“满洲罗宾汉”的任务后，要求所有人不准离开特务科。但潘越却偷偷的跑了出去，看了一个医生，为自己拿了一些药。第二天，特务科在浅野大吾所住医院周边设下了埋伏，等待刺客出现。
不出所料，已经乔装打扮过的那名刺客再次出现，准备在附近高楼上狙击浅野大吾。就在关雪等人锁定目标准备展开抓捕的时候，宋卓文通过镜子反射方法给了刺客一些提示，刺客发现有埋伏之后知道是个圈套，提前结束行动，成功离开了现场。特务科扑了个空。宋卓文对这名刺客觉得有些似曾相识，开始寻找线索分析这名刺客的落脚点，最后在深夜找到了一栋无人居住的别墅，果然这名刺客藏身于此。特务科也很快根据卓文的汇报找到了这里，闯进别墅的时候看见了刚刚遭受袭击狼狈不堪的宋卓文，宋卓文向他们讲述了自己是如何寻找到这里的过程，只是很遗憾让刺客逃脱了，关雪没多做追究，只是让他以后不要再贸然危险行事。胡彬对宋卓文的擅自行动表达了强烈的不满，抱怨宋卓文坏了事，各种冷言冷语脱口而出，但看到关雪没有其他表示只得作罢。胡彬再次要求要与宋卓文单挑比试一番，知道已经无法回避的宋卓文这次答应了。第二天一早在街头，两人开始比试。出乎意料的是，此前显得不会武的宋卓文将胡彬打得毫无招架之力，最后众人将胡彬送去了医院。
潘越也意识到了钟表的问题，立刻前往别墅要检查钟表。卓文马上回到了别墅，抢在潘越前，把钟表调好，将这个危机抹平。卓武撤退的途中杀了一个欺负商贩的流氓，特务科经过调查发现摊主曾经见过刺客，也就是宋卓武。关雪带了宋卓文等人前往，就在关雪让摊主描述刺客的面容外貌时，摊主下意识的盯住了来不及闪避的站在关雪旁边的宋卓文，所有人的眼光也都看向了宋卓文，让宋卓文不由得出了一身冷汗，但是小摊主开口后的描述却完全和卓文不一样。回到家中的兄弟二人开始盘点所发生事情的所有细节，宋卓武说在回来的路上，迎面有一位青年跟他打了招呼，好像跟他认识，宋卓文判断出此人是关凯。宋卓武见过小时候的关凯，现在早已不认识。宋卓文想起，如果关凯回家后提起此事，那么兄弟俩就会露馅，因为那时卓文正在关雪身边。宋卓文紧急去找关凯，想不到关凯也因某种秘密不想让关雪知道他的行踪，让宋卓文不要提起此事，宋卓文正好顺势答应，达成了两人就当没见过这面的共识，只是卓文也很好奇关凯的秘密究竟是什么。宋卓武独自决定去刺杀关雪，等关雪下车后开了枪。
卓武刺杀关雪失败后，卓武被卓文惩戒性的捆了起来。关雪也躲进了老金那里。浅野大吾来特务科视察，在关雪汇报后，特别表扬了勇斗“满洲罗宾汉”的宋卓文，特地允许他去参加在浅野大吾家举行的招待欢迎会。胡彬从医院里回到了特务科，表面与卓文和好，并明确提出要卓文到行动股来。卓文不想进行动股，因为进了行动股就会被胡彬监控，无法执行任务。但又一时无法拒绝。
宋卓文知道去浅野大吾官邸参加招待会是取得之前丢失的胶卷底片的一次好机会，经过与老钱商议，提出了一个需要兄弟俩精妙配合的方案。最终，虽几次差点暴露，险象环生，但总算在卓武的配合下有惊无险的拿到了胶卷底片。宋卓武躲在关雪的车里，劫持了关雪与卓文，逃出了浅野大吾官邸。关雪觉得自己受到了奇耻大辱，虽然很气愤，但又不能对外说。
宋卓文将从浅野大吾那取得的胶卷交给老钱，老钱发报给上级让尽快派人来哈尔滨取走。就在特务科还在苦苦复盘浅野大吾官邸的案子无果时，宋卓文偶然知道了关雪在抗日组织内绝密内线“松鼠”的存在，卓文决定要查清这个松鼠的存在。哈尔滨又发生了一起日本军官被枪杀事件，关雪意识到可能是关凯干的，因为关凯是有一只特殊的手枪，正好就是发射杀日本人的那种弹头。关雪回到家，要关凯交出手枪，关凯咬死手枪已经丢了。关雪很气愤但又无可奈何。
胡彬一大早来到关凯家，逼迫关凯交出了手枪与子弹。然后带着弹道分析报告，告诉关雪不是关凯的手枪开的枪，关雪这次放下心来。宋卓武被老钱派到了游击队所在的山上。临走时，卓武让老钱保护好卓文。关雪通过安插在抗联的内鬼再一次得到重要情报，约定在马迭尔宾馆交接情报。而抗联派一名联络员来哈尔滨与地下党接头，提取老钱获取的情报。经过一番阴差阳错，由于特务科的提前布置，老钱与联络员接头失败，我党联络员被关雪带至了特务科的一间安全屋，情况紧急。而我党也抓获了一名日伪特务。宋卓文缜密观察推敲之后找到了这间安全屋的位置。
经历一番险象环生的波折，成功救出了联络员。但是因为小魏的疏忽，他看管的日伪特务逃跑了。关雪正在因为联络员被从安全屋救走一事而大发雷霆，潘越突然接到电话，正是那名逃跑的汉奸特务打来的，汉奸向她描述看到追杀者也就是宋卓武，长得像浦克， 就在大家紧紧盯着宋卓文的时候，电话里传来枪声。关雪等人赶去救那名汉奸的时候，到了现场发现人已经被杀死了，凶手早已离开。原来幸好宋卓武及时返回，解决了这名汉奸。老钱要求宋卓文立刻想办法将联络员和胶卷送出城外，但此时，特务科已经在全城所有出口布下了天罗地网，设下重重关卡，想要把人送出城非常的困难。宋卓文看了卓武一会儿后，想出了一个办法，他利用哨卡当班人员换班时间的漏洞，最后让宋卓武开车带着联络员和胶卷出了城。但是百密一疏，当班哨长崔安平发现之前出城的车辆并未回城就又出去了，事有蹊跷，由此隐约猜到了宋卓文可能有双胞胎兄弟之事。
卓武上山找到了游击队，将胶卷交给了组织。山上的方政委，让卓武呆在山上不要乱跑。关雪在上班路上遇到一次军统的刺杀，这让关雪与她身边的保镖都变得很紧张敏感。特务科进行了一次体检活动，在活动中，卓文发现潘越不敢体检，似乎在隐瞒身体的健康情况。宋卓文接到了崔安平的电话，崔安平告诉他发现了他的秘密，向他索要五百块满洲券，否则立马就向特务科告发他。宋卓文震惊之余，也庆幸这个崔安平是个贪财之徒，为了先稳住崔安平，他先按要求给了他钱，这让崔安平更加确定他的推测是准确的，握住了宋卓文的把柄，欣喜若狂。
很快崔安平再次给宋卓文打电话，索要十根金条，并且只给他最多三天的时间。卓武按耐不住私自下山，故意走进一家小客栈，在客栈里卓武里被伙计下了毒捆绑住。就在客栈掌柜的即将对他施刑的时候，宋卓武突然挣脱了束缚，反而杀死了伙计，生擒了掌柜，原来行走江湖多年的宋卓武早已判断出这不是一家简单的客栈。通过审问掌柜的，确认了这家客栈是汉奸的巢穴。任务是单独与潜伏在山上抗联队伍中的内鬼交换情报。 卓武顺着线索，找到了电台还杀了内鬼乔二。在哈尔滨，贪婪的崔安平不仅对宋卓文进行敲诈，同时也暗地给关雪打电话，以提供潜伏在特务科的中共地下党名单为名要得到一大笔钱，关雪答应了他。崔安平知道自己被卓文发现了，于是带着手下请卓文吃了一次饭，酒席上说了卓文两次出城的事。卓文知道，这是崔安平在警告自己，如果崔安平被灭口，那他的手下一定会把卓文两次出城的事告诉警察，那卓文就有暴露的风险。
一直在暗中调查崔安平的宋卓文，通过监听发现了崔安平也准备从关雪那里拿钱，并且崔安平打算在得到两边的钱之后依然向关雪告发他，然后远走高飞。情况越发危急，宋卓文和老钱商议锄掉这条毒蛇。宋卓文在约定交金条当晚，施计利用关雪身边的保镖开枪打死了崔安平。关雪展开调查，在车站发现了崔安平的老婆，从崔安平老婆口中得知崔安平在离家前寄出了一封信，并且说梦话提到过什么双胞胎。关雪安排潘越赶紧去找到这封信，宋卓文断定这一定是崔安平准备告发他的信，紧急告知老钱后，老钱迅速安排我党情报人员前去邮局拦截，但差了一步，还是被潘越提前赶到了邮局，情急之下情报人员小魏将信吃进了肚子里。潘越残忍的杀害了小魏，但因为信件已被嚼烂，潘越并没有得到有用的线索。目睹此情的宋卓文觉得同志因他而牺牲，痛苦万分，同时也更激起了斗志，对潘越也欲除之而后快。一直藏着秘密的关凯，多年与姐姐相依为命，感情深厚，但对于她参加特务科镇压抗日份子一直不予认同，也一直担忧姐姐的安危。
特务们干掉崔安平后，又开始调查崔安平的手下。但卓文早就给崔安平的手下打了预防针，崔安平的手下为了防止自己被崔安平牵连，都对特务说什么也不知道。哈尔滨发生了爆炸案，卓文与潘越分析，是抗日组织制作炸药失败引起的。卓文带着特务们根据线索一路追到了抗日组织藏匿的仓库。胡彬让卓文冲进去，卓文为了保护里面的抗日分子，故意抗命。令大家都没想到这仓库竟然是一个陷阱，冲进去的特务纷纷被炸伤。很多特务进了医院治伤，卓文因临战怯战被罚到医院陪同伤员。关雪与浅野大吾也来到医院，看望伤员。
到了行动当天，一直担心姐姐安危的关凯发现炸弹竟然装在了关雪的车底，他以为是他的同志们弄错了，但得到的答案是其实此次行动无法取消，并且告诉他这是让他证明自己的好机会，意识到被骗的关凯痛苦不堪，但也想到这也许是一个解脱的机会，他上了关雪的车决定与姐姐一同去死。一直在医院的宋卓文发现关凯今天非常反常，起初跟踪观察了一会儿没发现异常，但最后从关凯上车的眼神和对他说的话语里，他迅速闪回梳理出了过往种种线索，意识到了关雪车底下的炸弹。宋卓文赶紧开车追出去截停了关雪的车，并且从车底下取出了定时炸弹，眼看马上就要爆炸，而此刻正在市区，周围还有刚放学的小学生，宋卓文只能抱着炸弹狂奔。千钧一发之际，宋卓文将炸弹果断地投入了路边的一口水井之中，爆炸威力巨大，所幸没有造成无辜伤亡。关雪也得以死里逃生，宋卓文救了她一命。在浅野大吾办公室，宋卓文向浅野大吾和关雪详细地讲述了自己发现和排除炸弹的思路，当然，他丝毫没有提到关凯。浅野大吾对于宋卓文的办事能力很是欣赏，立即提拔宋卓文为情报股副股长。宋卓武从抗联山上回到了哈尔滨，并且转告老钱和卓文，特务科关雪安插在山上的内鬼依然还在。
在潘越审问关凯的过程中，卓文努力为关凯开脱，帮他摆脱了嫌疑。但关雪还是能意识到事情的真相，对于弟弟想杀自己的事，关雪非常伤心。潘越负责向浅野大吾汇报爆炸案，但不知为何，从早上出门开始就一直不在状态。到了浅野大吾眼前时，更是汇报的一塌糊涂，甚至牵扯到关凯，这让关雪非常的生气。
潘越的反常状态依旧延续，以至于严重影响到了工作，关雪怒而把他送进了医院，暂停了他的工作。潘越被送进了精神病院的特别病房，他知道自己这次是被宋卓文算计了，发誓要报仇，一定要戳破宋卓文的身份。他先是利用自己多年来在工作中积攒下的关系，帮助医院里的医生解决麻烦，笼络住人，接着找来丁鹏威逼利诱，控制了丁鹏，让丁鹏及时向他汇报特务科以及宋卓文的动向。关雪找到了谢月，告诉谢月自己已经掌握了她杀渡边警长的证据，让谢月听她指挥，监视宋卓文。潘越去职后情报股股长的位置空了下来，宋卓文接任股长在情理之中。在提拔卓文当情报股股长之前，潘越调动审查部门的关系对卓文进行一次更加彻底的调查。
