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1941年上海，混迹江湖靠贩卖情报为生的街头小混混陈山因长相酷似军统特工肖正国，被日本梅机关特务头子荒木惟意外看中，从此卷入一场腥风血雨的地下战争。荒木惟挟持了他的妹妹陈夏，逼迫陈山成为日本间谍。为了营救妹妹，具有特工天赋的他只能接受秘密特训，冒名顶替肖正国前往重庆潜伏到军统内部，准备窃取重要情报。潜伏生涯惊心动魄，然而作为一个中国人，陈山并不想真的背叛祖国，在共产党员张离和钱时英对他的不断影响下，陈山逐渐成长，毅然站到了抗日的阵营。之后，为粉碎日寇阴谋，陈山和张离冒着生命危险再次回到上海，反潜伏进入汪伪特工总部，他们一次次携手合作，生死与共，在与敌人的斗智斗勇中，陈山最终树立了信仰，成长为了一名真正的战士，并成功粉碎了侵略者的险恶阴谋。
混迹上海街头的职业线人陈山刚谈下一笔替人捉奸的生意。陈山和同为线人的发小宋大皮鞋和菜刀喝完酒，去了米高梅舞厅。在米高梅门口，陈山看见了曾经让手下打断过自己两根肋骨的上海滩名媛唐曼晴。此时，日本宪兵队本部特高课课长麻田邀请荒木惟等同僚前来为唐曼晴捧场。在米高梅舞厅内，陈山通过观察，推测舞女黄莺当晚欲与徐老板私奔，他在追查黄莺私藏的金条时惊动了日本人，但他展露的机智却引起了荒木惟的深厚兴趣。在陈山除去乔装后，荒木惟意外发现陈山竟酷似已死去的肖正国，一个计划瞬间在荒木惟心中诞生。
陈山再次站在荒木惟面前，荒木惟却告诉陈山，如果他不能回答出刚才在路上遇见的事件细节，他和陈夏都会死。陈山大汗淋漓地回想起路上遇到的一切，荒木惟突然举枪对准了陈山，枪响，陈山的脖子上多了一个与肖正国死前中枪位置一样的伤口。早有准备的千田英子带着两名日本军医冲进办公室，开始抢救陈山。陈山从昏迷中醒，荒木惟告诉他，以后他必须努力成为一个以假乱真的肖正国，前往重庆军统潜伏，完成荒木惟交给他的任务，否则他将再也见不到陈夏。枪伤刚愈的陈山被迫开始接受间谍、特工技能训练，并被要求熟记有关肖正国的一切资料和社会关系。
陈山正式回到军统本部，向肖正国的上级费正鹏述职。费正鹏惊觉肖正国嗓音有变，陈山已经因此事面对过“雄狮”的质询，此时亦能冷静应对。费正鹏立即以关心的名义命人将陈山送往医院检查身体，转身却派人查探肖正国失踪这三个月来发生的一切。陈山检查身体的医院正是妻子余小晚工作的宽仁医院，陈山第一次见到了余小晚。在医院外面，陈山意外碰到军统特务的抓捕行动，看到一个身穿披风的女人从围捕中逃脱。陈山吃完东西再次回到医院，被告知余小晚已经离开。陈山心中莫名地松了口气，可是他从医院回到家，仍然不见于小晚。
陈山受费正鹏指派，枪决疑似共产党的马向山。马向山提供了一个他偷听到的情报，中共地下党在腊月十七要去心心咖啡馆给“蒲公英”送一部电台。费正鹏查看日历发现当日便是腊月十七。而这一天余小晚和张离相约中午在心心咖啡馆吃饭。陈山怀疑张离就是“蒲公英”，很可能是在军统里唯一能争取的自己人。陈山立即打电话给余小晚，让她和张离改去祈春西餐厅，余小晚答应下来，却晚到一步，与张离错过。周海潮带人在心心咖啡馆外设伏，陈山进入咖啡馆坐在角落。却意外发现张离还是来了，陈山明白自己要立刻想办法阻止张离被捕。
日方对重庆上空展开轰炸，张离随着人流逃跑。一颗炮弹在张离附近爆炸，钻进左腿的弹片让张离瞬间失去重心，摔倒在人群中。眼看人群密密麻麻涌过来，张离即将失去意识，陈山突然出现，背起张离朝医院狂奔。醒来的时候，张离看到陈山躺在自己身边的另一张病床上。陈山如实地告诉张离自己的真正身份和遭遇，他向张离求援，要救出妹妹。肖正国的好友李伯钧与电讯组的同事洪京军一起吃饭，无意中说起回来后的肖正国与原来的肖正国似乎有些地方不一样了。洪京军故意引诱李伯钧说出具体事例，两人的对话被周海潮监听。
组织核实了陈山的身份，张离前去探望陈山，陈山在张离的提醒分析下，回忆事发当天的细节，发现李伯钧来找自己时，没有戴他天天都围的一条灰色围巾，而李伯钧被扎针的地方就在脖子上。两人意识到，这条消失的围巾也许就是李伯钧被针刺的关键点。张离答应陈山去查围巾的下落，让陈山不要轻举妄动。另一方面，周海潮也意识到围巾可能存在破绽，周海潮将张离的照片给到毛老四，让毛老四跟踪张离找到围巾，又安排洪京军去李伯钧办公室找信。张离为寻找李伯钧的围巾而四处奔走，她发现有人暗搜李伯钧的办公室，与来人发生枪战，但还是让对方逃走了，并不知道那是洪京军。
关永山和费正鹏商量李伯钧之死应大事化小，将李伯钧之死推到日谍身上，上报戴局长。至于肖正国仿佛完全记不起从前旧事的疑点，因李伯钧已死，死无对证，而费正鹏也认为肖正国受伤后昏迷数日，记忆受损也属正常。关永山为避免周海潮再与肖正国内斗，将其调去中共科任副科长，实则是在中共科安插自己的人。事件平息后，陈山回想起李伯钧死前对他说的一番话，觉得李伯钧之死是因为他发现了什么秘密，而真肖正国的脖子上所中一枪并非日本人所为，究竟是谁想要肖正国死，陈山百思不得其解。荒木惟通知陈山在心心咖啡馆接头，要给他下达新的任务。陈山受余小晚嘱托，接张离去家里吃饭。余小晚硬拉着张离去参加军人俱乐部的一个舞会，陈山因为要与荒木惟接头，没有一同前往。
陈山被关了三天禁闭，张离偷偷来看他，陈山将荒木惟交给他的任务和他对此事的猜测全部告诉了张离。张离原本就知道冯大奎，抓捕以及审讯冯大奎是周海潮来到中共科后的第一个任务。张离得知冯大奎与日特行动有关后，立即开始行动，准备打听消息破坏日特阴谋。同时，张离也萌生了一个大胆的想法，自己是否有可能通过陈山打入日本间谍机关。陈山从禁闭室出来后开始打探冯大奎的消息，利用荒木惟送的雪茄给冯大奎提示有人营救他，稳住了冯大奎。荒木惟提供给陈山一种强效神经麻醉剂，要求陈山给冯大奎注射，制造出冯大奎假死的样子，在军统将其运出牢房后劫走。
陈山端着酒杯回到张离身边，此时有人提议让周海潮与余小晚领舞，陈山觉得张离一定看见了他和荒木惟，告诉张离好戏就要开始了。接下来，人们看到原本胆小怕事的肖正国，为了抢夺余小晚这个舞伴，和周海潮大打出手。舞厅随即大乱，荒木惟趁机离开。陈山被关了三天禁闭，张离偷偷来看他，陈山将荒木惟交给他的任务和他对此事的猜测全部告诉了张离。张离原本就知道冯大奎，抓捕以及审讯冯大奎是周海潮来到中共科后的第一个任务。
沈川向陈山打听一个叫朱士龙的人，朱士龙负责给兵工厂看风水，而且知道朱士龙很有可能知道兵工厂的地址。两年前，朱士龙本来去了地质局，却因为染上鸦片瘾，消失地无影无踪。陈山从医院出来后，推断朱士龙就是一个江湖骗子，而要找一个江湖骗子，就要找江湖上的人打听。陈山正准备回家时，医院仓库突然起火，余小晚被困在了仓库里，陈山赶紧赶去仓库救余小晚，余小晚在仓库里不小心撞倒了柜子，被柜子压得不能动弹。陈山终于撞开了仓库的门，救出了余小晚。救出了余小晚，陈山却没有停止思考，陈山觉得失火并不是意外，周海潮的出现是否和余小晚口中重要的病人有关，陈山百思不得其解。
陈山在防空洞里找到乔瑜，得知昨晚的火和医院的毒气都是乔瑜所为。乔瑜派给陈山一个任务，那就是如果飞行员没有在安全屋被炸死，那就把他们引到防空洞，再由陈山引爆防空洞里的导火线。陈山把乔瑜的派给自己的任务告诉了张离，张离费劲百般口舌，尝试说服周海潮不要进入安全屋，在周海潮犹豫不决之时，安全屋的定时炸弹爆炸，周海潮和美军飞行员逃过一劫。突然，不断有飞机轰炸医院，周海潮不得不听从陈山的劝阻，让陈山带着美国飞行员往防空洞里躲。
陈山带领全部飞行员躲入了下水道，逃过了一劫，最终逃至童家桥，联络了费正鹏。陈山带着飞行员归来，他向费正鹏提议不对外公布飞行员生还的消息，而此计是他唯一能骗过荒木惟的法子。军统方面商议后认为，在飞行员们伤未痊愈之前，不应再次公开出现，以免成为日方目标，戴笠决定低调处理此事，秘密将飞行员送走养伤，张离被释放。费正鹏代表军方秘密嘉奖了陈山。荒木惟质问乔瑜为何让自己费尽心思安插进入军统局的陈山成为了一颗弃子，而陈山的死而复生却让荒木惟惊讶。陈山成功欺骗荒木惟，相信了美国飞行员已尽数死于防空洞中。
陈山和余小晚、费正鹏吃饭，突然周海潮拿着逮捕令出现，他将江元宝带到费正鹏和余小晚面前指认陈山。余小晚回想陈山的种种疑点，她心中早已明白也许肖正国不再是以前的肖正国，但她已经爱上了新的肖正国，坚决否认周海潮的怀疑。张离打着余小晚的旗号，说是要替余小晚送一点常用药给陈山，向看守陈山的人行了些小贿赂，得到见陈山的机会。陈山让张离别管自己，他担心周海潮会借机对付张离，认为张离只有与自己划清界限，才能保证安全。张离让陈山不要轻举妄动，自己会安排救他的计划。
张离带着防疫车上的两个人去了关押陈山的审讯室，而这两人正是张离安排协助营救陈山的人。两人抬着一个巨大的桶，佯装桶内都是消毒药水，三人乘看守不注意，用药巾将看守迷晕，然后将陈山藏在桶里带出了办公大楼。一行人正要上车之时，却不巧碰上了周海潮。周海潮对防疫所表示怀疑，下令进行检查。一个日本士兵假装开盖，随即一挥手打晕了周海潮，张离一行人迅速开车逃离出了军统局。肖正国在黄埔军校的体检血型为A型，而此时被关押的假肖正国是B型血。陈山的身份彻底暴露。关永山震怒，军统第二处内部乱成了一锅粥，周海潮下令满城搜捕张离和陈山，余小晚也被控制起来。
周海潮来到余小晚家中逼问陈山下落，余小晚得知是张离助陈山从军统逃出去的时候，她觉得心反而放了下来。面对周海潮的审问，她有些嘲讽地说，要是我有离姐的本事，我就亲自来把肖正国救出去。周海潮反击余小晚，说她才是最糊涂的那一个，陈山和张离早就背叛了她，余小晚却认为周海潮一派胡言。他在余小晚家大放厥词，承认自己早已在上海杀了肖正国，自己就是为了得到余小晚。随后他为了掩盖自己的罪行，又杀了李伯钧和江元宝。正在周海潮得意之时，一把枪顶在了他的脑袋上，周海潮发现二人的对话已被录音。
陈山与费正鹏谈判，让他给自己一张假图去骗取荒木惟的信任，让日本人轰炸虚假的兵工厂位置，再让费正鹏引导军统局配合出演，好让自己和张离能够顺理成章地进入日本人的机构，作为回报，陈山会给费正鹏提供日本人的情报。陈山假装挟持费正鹏逃跑，并用山间的悬荡绳索脱出国民党的搜索范围，及时赶回与荒木惟约定集合的理发店。陈山告诉荒木惟朱士龙已死，并画下了朱士龙背上的兵工厂分布地图，交给荒木惟，荒木惟让陈山自己想办法去到上海，自己会在尚公馆等待他归来。
婚礼前晚，陈山带张离参加特高课课长麻田将军的生日宴，意外发现唐曼晴的舞伴竟是自己多年沓无音讯的大哥陈河，此时他竟改名换姓成了药材商人钱时英。张离内心同样深受震动，因为钱时英竟是她曾经的恋人，那个三年前在任务中牺牲的恋人。陈山邀请唐曼晴跳舞，借机打听钱时英的底细，两人互相嘲讽。张离和钱时英在卫生间不期而遇，钱时英正是张离在三年前误以为战死沙场的未婚夫，再次见面，两人都未说破过去的事。陈山质问钱时英为什么多年不回家，钱时英顾左右而言他，陈山怒打钱时英一拳。唐曼晴看出钱时英与陈山关系不一般，更从张离看钱时英的眼神中读出了异样的情意。
陈山和张离的婚礼当日，周海潮为确保陈山“必死”，雇佣杀手刺杀陈山。陈山看到沈莫和周海潮，意识到飓风队的行刺计划已经暴露。余小晚突然出现，质问两人却只换来一句对不起，随后，余小晚眼中含泪，祝福陈山和张离能找到爱情，并要求为两人证婚。为了中止飓风队的行动，陈山暗示张离不要抛捧花，而是将手捧花送给唐曼晴，沈莫发现暗号更改，立即撤退，但周海潮雇佣的杀手却开枪击中了张离，场面一时混乱，荒木惟派人捕捉枪手。陈山送张离到医院，却没有医生替张离手术，余小晚赶到，自愿替张离手术。陈山感激余小晚不顾前嫌，余小晚却说救人是医生的天职。荒木惟扣押了婚礼的全部宾客，周海潮、沈莫被捉住。周海潮向荒木惟告发陈山和张离都是军统特务，刚才的刺杀只是苦肉计。
陈山的小兄弟们躲在暗处看陈山和余小晚谈话，陈山让余小晚回重庆去，余小晚和陈山告别，并表示自己以后会和陈山划清界限。余小晚走后，陈山看到了刘芬芳和菜刀皮鞋三人，叫来刘芬芳，让刘芬芳跟着余小晚，看看余小晚住在哪里，菜刀和皮鞋有些不解，陈山什么时候和刘芬芳的关系这么好了。唐曼晴和钱时英知道张离已经脱离危险后，松了一口气，唐曼晴感叹陈山看起来油腔滑调的，没想到却这么重情重义。医院里，张离知道陈山没有把飓风队假行刺的事情告诉自己后，有些生气，但眼下的情况，两人只能静观其变，等待荒木惟和周海潮下一步的行动。
周海潮让千田英子不要相信沈莫的话，并辩解说沈莫是在用反间计。千田英子没有听周海潮辩解，让他上车去尚公馆找荒木惟说这些话。而另一边，陈山刚松了一口气，荒木惟就让陈山去亲手干掉周海潮。周海潮坐在千田英子的车上，越想越不对劲，多疑的他干脆跳车逃跑，千田英子开枪击中了周海潮，可还是让周海潮逃走了。周海潮逃到李氏诊所的药房，余小晚听到药房有动静，前去查看时，发现了倒在地上奄奄一息的周海潮，周海潮看见余小晚，忙向余小晚求救。余小晚没法见死不救，二话不说为周海潮安排了手术，取出了子弹。
