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1936年，年轻的复兴社干部训练班学员林楠笙，被复兴社特务处上海区区长陈默群带往上海，参加抓捕潜伏在复兴社的地下党任务。在执行任务的过程中，正直单纯的林楠笙不断被顾慎言、纪中原、朱怡贞、左秋明等共产党人为国为民的使命感和大无畏的牺牲精神感召，对国民党内部的乱象和当时中国人民的苦难有了更深的思考，也对共产党人的信仰和追求有了更深的了解。林楠笙在对日伪的斗争中勇敢果毅，屡立战功。在民族大义面前，多次和共产党人站到一起，尤其是在一些关键时刻，他利用自己在军统的特殊身份，为上海地下党组织提供了极大的帮助。经过艰苦斗争和生死考验后，林楠笙成长为一名真正的共产党员。并在解放战争的关键时刻，为党和国家做出了突出贡献。
1936 年，国民党复兴社特务处上海区站长陈默群得到了中共地下党员王志的线索，启用最高级别保密行动实施抓捕，却发现王志在抓捕前的关键时刻脱身。陈默群怀疑抓捕行动泄密，是因为特务处内部藏有地下党潜伏人员，怀疑一切的他遂前往南京，从干部特训班中挑选了心怀报国热诚、具备敏锐洞察力和坚毅品质的学员林楠笙，协助他搜寻藏身在特务处上海区内的那个中共潜伏者。 陈默群将上海区内所有负责人资料一一拿给林楠笙辨别，唯独缺少了档案室主任、陈默群老同学顾慎言的资料。林楠笙发现这一问题，并表示如果顾慎言绝对忠诚，就不怕被怀疑，他的这一判断得到了陈默群的赞赏。
申江大学的女学生朱怡贞带领一群爱国学生，在戏院后台阅读讨论进步读物，搜查队突然到来，朱怡贞安排同学们快速离去，自己则带上所有“违规读物”撤离。撤离过程中，她的背包被一名骑车的小偷抢走，眼看包内读物就要在搜查队面前曝光，恰巧路过的林楠笙及时抓住小偷，将背包还给了朱怡贞。朱怡贞为躲避搜查队，匆匆道谢后离去，林楠笙也对这个女孩留下了印象。
陈默群带领行动队对书店进行布控，与此同时，中共上海地下党组织负责人、代号“渔夫”的纪中原也乔装来到书店，向阿木核实王志在南京被捕一事。纪中原前脚刚刚离开，林楠笙按照陈默群的指示进入书店，近距离观察阿木。顾慎言从书店外特务们的行动推测出他们即将进行抓捕，书店这一联络点暴露，他紧急给阿木打电话，要求对方马上撤离，但阿木为了不引起敌人怀疑，进而牵连纪中原、顾慎言和其他地下党同志，于是选择引爆手榴弹，与敌人同归于尽。
为了与“邮差”重新取得联系，纪中原安排脸生的朱怡贞前往康可尔咖啡馆。 另一边，陈默群将王志带回特务处本部，并故意安排其与顾慎言见面。顾慎言表现的滴水不漏，心中却在思索如何挽回现在的局面。 接头当天，在康可尔咖啡馆外埋伏的林楠笙在拍摄照片时认出了来到咖啡馆的朱怡贞，再次留下了印象。顾慎言来到咖啡馆准备接头，却在周围发现了布控的特务，赶紧离开，并让一个小乞丐给朱怡贞传递了新接头点的信息。
陈默群得到王志已死的消息，大失所望，但仍要用王志的名号执行诱捕计划。他向站内人员隐瞒了王志已死的消息，只说重伤，同时提出要全站彻查，抓出内部的中共潜伏人员。顾慎言大为赞同，甚至主动要求从自己查起。 陈默群以林楠笙看守王志失职为理由，将其调到顾慎言手下“思过”，实为监视，顾慎言对待林楠笙和颜悦色，心中却在盘算，怎样才能躲过林楠笙和其他特务的监视，向纪中原报告王志未死的消息。
林楠笙找到小乞丐，用食物诱导，得知他确实替一名乘客和朱怡贞传递了有关时间和地点的消息，但却不记得那名乘客是否是顾慎言。林楠笙知道，“邮差”已经与中共地下党完成了这一次接头，而那名女学生朱怡贞，很有可能也是一名中共地下党的联络员。 林楠笙向陈默群报告了此事，陈默群肯定了他的想法，但碍于朱怡贞是上海著名金融家的女儿，不便抓捕审问，所以派林楠笙先行进入申江大学，近距离观察朱怡贞。林楠笙跟踪朱怡贞一段时间后，发现她的活动轨迹极其规律，唯一值得怀疑的是她频繁进出学校的图书馆。
林楠笙怀疑朱怡贞是在图书馆内接收消息，向陈默群汇报，陈默群遂派林楠笙以中文系助教“徐立文”的身份进入学校，进一步接触朱怡贞。同时，陈默群将舞女蓝心洁介绍给林楠笙认识，希望他能更加解女人，从而完成接近朱怡贞的任务。 申江大学里，林楠笙看见了朱怡贞在篮球场上的飒爽，以及她背诵《草叶集》时眼里的光芒，作为一个先进的女性，朱怡贞给林楠笙留下了很好的印象。林楠笙想要用借笔记的方式结识朱怡贞，但朱怡贞对生人礼貌而警惕，林楠笙并未得到与她进一步交流的机会。
大学的舞会在即，林楠笙想要在舞会上邀请朱怡贞，提前去舞厅找蓝心洁学习，但却笨手笨脚，总也学不会。蓝心洁用自己对于男女之情的经验启发林楠笙，告诉他与其讨好对方，不如展现真实的自己，因为真实的林楠笙本就有他不同于别人的魅力。林楠笙似懂非懂，对接下来的行动充满忐忑。 舞会上，朱怡贞拒绝男生邀舞的举动令林楠笙不解，朱怡贞坦露自己不愿做。一个被动选择的人，而想像男性一样有平等的去做事的权利，林楠笙对此深以为然，二人异口同声的背诵《草叶集》的篇章，在个人选择和男女平等的话题上获得了思想的共鸣，两人迅速拉近了距离。
为了报恩，朱怡贞将林楠笙接至家中照顾。纪中原多日未见朱怡贞，向其他同学打听后知道了“徐立文”受伤的情况。纪中原警觉，立刻派人核实“徐立文”的身份。 朱怡贞的父亲得知女儿带了一个陌生男子回来，非常不满，要将林楠笙送走，但朱怡贞坚持林楠笙是为了救自己受伤，自己有义务照顾。在照顾林楠笙的过程中，两人的感情又增进了不少。
夜晚，林楠笙以自己已经恢复为由，向朱怡贞辞行，并询问对方为什么放着优渥的生活不过，而要冒风险去参与游行这样的活动，朱怡贞坦白自己对国家现状的看法，想要通过自己的奋斗去创造更美好的未来。她的爱国精神感染到了林楠笙，对他造成了极大的触动。 朱怡贞大胆向纪中原推荐林楠笙，想把他发展为自己的同志。纪中原暗中调查后并未发现“徐立文”的漏洞，遂决定进行进一步审查。林楠笙按照朱怡贞的要求，将一封信送到指定地点，陈默群非常满意，推测中共接下来就会安排专人与林楠笙见面。
纪中原赶紧告知朱怡贞林楠笙的真实身份，要求她立刻离开学校，紧急撤离到安全地点。林楠笙迟迟不见朱怡贞归来，不得不联系陈默群，陈默群勘察现场后认为是林楠笙暴露了，朱怡贞已经逃跑，所以下令抓捕与其相关的图书馆和裁缝铺人员。 朱怡贞一时难以接受林楠笙竟是国民党特务的事实，返回林楠笙宿舍，质问他是否一直在欺骗自己，却被陈默群的特务抓捕。另一边，纪中原也发现朱怡贞并未来到安全屋，知道她定然出了事。
林楠笙为免朱怡贞遭受刑讯，主动申请审问，面对林楠笙的审问，朱怡贞坚称自己与共产党无关，并斥责林楠笙是一个骗子。林楠笙遭受良心的谴责，但碍于身份职责，只能用激将法告诉朱怡贞，自己接近她就是为了调查她共产党的身份，说的每一句话都是在欺骗。朱怡贞虽然伤心但仍坚持自己与共产党无关。
陈默群派人调查得知，朱怡贞曾购买过一台高功率收音机，只要经过改装增强无线接收能力，就可以接到远距离的信号，当做电台来使用。陈默群立刻派人前往朱怡贞家中搜查电台，林楠笙一边刺破了行动队的轮胎，一边紧急赶往朱家，想抢在特务们之前排除那台收音机会对朱怡贞造成的危机。 林楠笙跳窗进入朱怡贞房间，碰见朱父，他简单解释自己是来帮朱怡贞的就开始动手拆卸收音机。朱父对他并不信任，但此时，搜查朱家的特务们已经进入了房子。无奈之下，朱父只能选择相信林楠笙，出去拖住特务们，为他争取更多时间。特务们硬闯朱怡贞的房间，带走收音机，朱父正在疑惑，林楠笙现身，说自己已经拆下了收音机里的线圈，朱怡贞安全了。
朱怡贞前往银行，从自家保险柜中取出了江苏省委的电台。跟踪的特务看见朱怡贞拎着大皮箱在街上打转，猜想里面一定有问题，遂向陈默群汇报。与此同时，顾慎言也离开特务处，行踪诡秘的样子。陈默群比对二人路线，认为二人是要接头，于是带领众多特务前往。 陈默群将顾慎言和朱怡贞堵在餐馆包房内，强行打开朱怡贞带来的皮箱，却在里面发现了股权分配书和许多金条，同时，周耀庭、王世安、朱父露面，显然是在谈一起做生意的事。
王世安被任命为上海区代理站长，刚上任的他立刻拉拢顾慎言，想让他做自己的副站长，并透露特务处将开始调查日本商人池田英介，怀疑他是一名日本间谍。顾慎言没有立刻答应做副站长，而是提出想将林楠笙发配回南京特训班，王世安一口答应。 为了进一步获得情报，顾慎言在与纪中原商量后，决定接下副站长的职务。林楠笙得知自己将被发回特训班，想方设法留下，但仍被顾慎言一口拒绝。就在这时，林楠笙与自己在特训班的好友左秋明重逢。
林楠笙将自己的线人蓝心洁能够进入池田家中搜集情报的事报给王世安，王世安见猎心喜，同意发展蓝心洁为外围人员，并给予一定的报酬。王世安还答应林楠笙，只要他能获得证据，说明池田的日谍身份，就保证他留在上海区。为此，他要求蓝心洁必须拍下照片。 林楠笙知道此次任务的危险性，用自己的钱提前垫付给蓝心洁，蓝心洁虽然害怕，但受到重金诱惑，还是答应冒险一试。林楠笙知道左秋明也会参加池田的聚会，特意嘱咐他关照蓝心洁。
池田发现了正在书房的蓝心洁，并缴获了她的微型照相机，质问她是什么人。关键时刻，左秋明出现，声称蓝心洁是自己的人，让池田先把她放走。蓝心洁丢了半条命似的出了池田家，林楠笙赶紧带她离开。 左秋明向池田和高桥解释，自己让蓝心洁拍下那些照片，是出于商业合作的考虑，他所代表的势力只跟陆军合作，所以必须调查清楚他们的身份。左秋明合理的解释，打消了高桥和池田的顾虑。 蓝心洁将拍下照片的胶卷交给林楠笙，王世安因林楠笙能力强，戴罪立功表现佳等理由，说服顾慎言将其留下。顾慎言不好反对，只得答应并尊重王世安的决定。 林楠笙献计，用制造交通事故的办法铲除池田，这样既可以避免日方借此发难，也可以达到阻止日谍活动的目的。
林楠笙在制裁汉奸的行动中遭遇日军袭击，手下兄弟大多战死，他藏起最后一名生还的弟兄，自己换上普通百姓的衣服，这才逃脱抓捕，侥幸回到站里，并对王世安的种种安排大发脾气。 鉴于近期死伤严重，王世安跟顾慎言商量，想要跟共产党合作，利用共产党的情报优势帮助军统在上海立足，甚至在关键时刻拉共产党垫背。顾慎言表示无异议，转身却从军统内领取了一部电台，交给纪中原使用，并告知王世安的想法。 南京方面对王世安的工作不满，决定让陈默群重回上海，陈默群答应。 王世安派林楠笙去跟上海的中共地下党接头。 朱怡贞在根据地磨炼一段时间后，被重新委派回上海，担任江苏省委核心情报员。
林楠笙得知顾慎言亲自提取的电台和一批子弹并没有交给国军，生疑，顾慎言解释说是遇到了日军缴获，已经报损，同时，浦东支队夜袭上海机场，得到南京方面嘉奖，但林楠笙得到的消息却是，此次夜袭并非浦东支队所为，他提示顾慎言调查此事，顾慎言满口答应。 林楠笙接到与与共产党接头的任务，前往接头地点，却看到了朱怡贞。两人多年后再次相见，心结仍旧难解。为了保护朱怡贞，林楠笙故意隐去了共产党方面接头人是朱怡贞的情况。
林楠笙前往面见陈默群，告诉他忠义救国军驻上海总联络站已在他被日本人抓捕时，被日本人炸毁，重庆方面也收到了消息。陈默群知道自己遭到陷害，变节之事坐实，不可能再回军统了。 与此同时，王世安收到重庆方面回复，要求立刻裁决陈默群。特务们闯入房间，企图杀死陈默群，陈默群跳窗逃跑，林楠笙紧追不舍，要求他随自己回去解释清楚。但陈默群自知无望，朝追来的顾慎言开枪后逃跑。
