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1940年，作为反法西斯战争最重要战场之一的中国战场，进入到中日双方相持阶段。为加快对中国的侵略，日军正秘密策划一场骇人听闻的细菌战，为此日军决定加快细菌武器的研究。只身从南京大屠杀逃生的医生金深水，流落到日军设立的“保甲模范区”桃花镇。金深水无意中救了生化专家白大怡，不料却是一系列波谲云诡事件的开端。桃花镇歌舞升平的面纱被逐渐掀开，惨无人道的细菌人体实验、恐怖致命的人脑控制药物实验等一一浮出水面。在党组织的指导下，金深水巧妙地周旋于狡猾如狐的敌人中，几度出生入死。最终，在对日军同样有着国仇家恨的女医生林婴婴以生命为代价的掩护下，金深水联合新四军、游击队，彻底消灭了桃花镇的日军，同时揭露了日军利用人体进行细菌实验的种种罪行。金深水更从一个普通爱国青年成长为一个优秀共产党员。
军统的革老得到命令，得知白大怡和日军的细菌实验有关，召集人马准备除掉白大怡。在电影放映广场上，军统想枪杀白大怡，却被共产党员李灵救下。随即，日军赶到，三方人马展开激战。李灵和革老不敌，带着白大怡撤退，幸被金深水救下。金深水将众人藏在樱涛阁内，被设计骗过追寻而来的野夫，谎称自己救了白大怡。金深水故意设计让保卫处的科长李士武病发，并通过救治李士武的过程，展现了一手神乎其神的中医造诣。这让区长野夫和存荣医院院长藤村起了招揽金深水进存荣医院工作的心思，金深水欲擒故纵，假意拒绝。
存荣医院休息室内，金深水不愿立即救治一个病人，内科主任林婴婴不屑其行径，提出替金深水去手术，金深水却故意阻拦。两人爆发冲突，口角不断.林婴婴对手术并无十分把握，没想到手术过程十分顺利，竟然没有预想中的术后大出血。林婴婴百思不得其解。最后还是藤村院长揭开了谜底。原来，这个病人早就被金深水以金针刺穴之术抑制住了大出血，而金深水之所以阻拦林婴婴，是为了拖延时间让用金针注入病人体内的药物生效。
在金深水探望白大怡，白大怡坦白问金深水是共产党还是国民党，金深水说他无党无派。为表诚意，白大怡将掌握情况告诉了金深水，其中涉及一个重要内容，即“金枪鱼的生存”问题。白大怡的要求就是救出他的女儿。野夫秘密搜查金深水的住宅，发现了金深水亡妻的照片，但是被金深水发现被人搜查的痕迹。野夫也对金深水有所怀疑，对其监控。眼看白大怡磨洋工，野夫计上心头，带白大怡去新秩序幼儿园，远远地看着女儿小雪。白大怡再无力抵抗，交出了琼胶升级配方。金深水缺席医院例会，林婴婴规劝金深水，以减发工资为由，金深水说钱乃身外之物，会以后他就不开了。林婴婴套话，才知道金深水老往白大怡那跑，猜测其中有故事。
金深水并趁演出节目时，金深水故意拖住静子让同伙有机会将小雪救出。保安处空虚，李灵潜入野夫办公室，偷拍了高频率词汇“给水部队”“马路大”“沈阳”。还有白大怡第一批掌握的词汇“老鼠”“金枪鱼”等。趁保安处空虚，革老杀入宾馆，白大怡涕泪横流，讲述了自己绝对不为日本人卖命的想法。不等军统拔枪，白大怡一头撞在门框上，鲜血直流。一枚子弹射向白大怡心脏，血喷涌而出，白大怡身亡。
李士武身有不适，于是找到金深水。金深水给他出了主意，找个不识字的逃兵，请他入伍，签字画押，签好字逃兵才知道，签的是供状，直接下狱。李士武照办。林婴婴在餐厅见到野夫，勾起了她的惨痛回忆，当年正是野夫杀了她的全家。林婴婴在酒杯中下毒，想要当众毒杀野夫，却被李灵故意阻止。野夫来到监狱，李士武找人顶包的事被秦时光发现，又被揭发事发当天曾离开执勤岗位一段时间，而李士武的手下因为害怕野夫查起来就将他把秦老六抓来当假犯人的事情向野夫说了。于是秦时光借题发挥称李士武才是杀了白大怡的真正凶手，李士武百口莫辩，被野夫杀死。
林婴婴对李灵诉说心事，原来当天是她全家的忌日。原来，林婴婴全家从上海逃离的时候被野夫所杀，林婴婴来到桃花镇就是为了复仇。防空警报大作，半个桃花镇都被惊醒，街头，出现了空投的宣传品。上面写满了侵华日军南京大屠杀的种种罪行，印有照片。桃花镇的日本人和中国人看了都很震惊。有的有文化的学生登台控诉，形成集会。日本人不便镇压，派出金深水，金深水现身说法，称南京大屠杀根本不存在，这都是妄图破坏大东亚共荣的坏人的做法，平息了事态。
夜，一辆救护车悄悄驶出桃花镇，林婴婴尾随，救护车上运下了出了几带东西，像是尸体。她将情况告诉了金深水。金深水跟随他们出城，发现他们将这几袋东西扔到一个坑里，金深水上前查看正是尸体，大惊。金深水想要去地下室一探究竟，被林婴婴阻止，金深水责问林婴婴知道活埋的滋味吗？林婴婴告诉金深水，自己知道活埋的滋味，还知道眼见亲人被活埋，被汽油烧，被强奸，被刺刀捅的滋味。林婴婴终于敞开心扉，讲述了自己全家被侵华日军杀害的经历。
林婴婴和金深水探讨认为直接混进医院地下室是不太可能，必须另想办法，入口和通风口道是相通，他们想要知道通风口道通道哪就必须知道建筑图纸，而建筑图纸就在野夫那。林婴婴借找秦时光之由混进了野夫办公室偷到了建筑图纸。林婴婴在偷取到了建筑图纸后，在暗处看到了野夫，心生狠心，朝野夫开枪，没中，却惊动了野夫。野夫立即下令地毯式追捕罪犯，林婴婴逃窜，枪声大作，一枚子弹射中林婴婴大腿。后金深水赶到牵着林婴婴，躲避追击。后无路可退，林婴婴和金深水躲进了保安处，她在秦时光的办公室佯装还在等秦时光。林婴婴在现场留下了血迹。
金深水为了照顾腿上有伤的林婴婴，不仅主动搀扶林婴婴，更替她分担工作。卢副院长一直觊觎林婴婴，误会了两人的关系，故意支开金深水，邀请林婴婴在晚上的宴会上当他的舞伴。林婴婴无法拒绝，只得答应。舞会上，野夫暗中命人注意腿上有伤的人员。林婴婴为了不露破绽，忍着剧痛接受一个又一个邀请。正当再也无法忍受之际，金深水赶到。金深水假意非礼林婴婴，让其扇了自己一个耳光；林婴婴借此“含怒”离场，总算没有引起怀疑。藤村和野夫准备实行验血计划，时值传染病高发之际，大家都没有怀疑。金深水通过蛛丝马迹分析得出，日本人抽血的举动是为了查盗取图纸的人。金深水马上警告了林婴婴，让她提前有了准备，才得以在被野夫的审问中编造了一套滴水不漏的供词，称当时自己在保安处留下的血迹是不小心用水果刀割破了手掌。林婴婴的沉着应对大大减消了野夫和藤村的怀疑。
金深水密切关注进入医院的车辆，一日深夜，一辆神秘的车引起了金深水的注意。这辆车由宪兵严密押送，不允许检查，直接开进医院，在地下室卸货。林婴婴告诉金深水，她听到车内有吱吱咕咕的声音，金深水和林婴婴跟随一探究竟发现是老鼠。通过查阅日文书籍，林婴婴确定马路大指的是实验材料或者实验动物。这证实了金深水的判断，那些老鼠、田鼠，就是实验材料。金深水找静子借日文字典，静子提议去樱桃阁办四川火锅，金深水来找撒库拉时，发现撒库拉的地下室藏有大量火药，说是计划吃火锅时炸掉日本鬼子，被金深水阻止。
金深水研究了林婴婴偷来的医院图纸和秘密图册，决定闯入查看。可是医院地下像天罗地网般，岗哨增加了三倍，地下部分根本没法进入。金深水有了一个大胆的设想，通过医院附楼的一间废弃办公室，挖一条50米长的地道，直通医院地下一层的通风室。可是找什么借口呢？金深水建议在附楼办公区，远离病患的地方搞一个小食堂，供少数人开小灶。这得到了野夫的同意。野夫把食堂的事告诉了静子。 金深水开始在镇上物色工人，他选定了四人，以医院附楼修建食堂为由，将工人带入。开工了，第一天，地道挖了五米。
林婴婴在周镇也感染了瘟疫，李灵说林婴婴可能活不过明天，林婴婴说青霉素或许有效，最有效的是一级管控药品百浪多息。费劲周折，通往存荣医院的地下通道修通了。金深水通过通道抵达医院。金深水想去找百浪多息，为了避嫌，金深水来到更衣间抄起一个防毒面具戴上，并穿上防护服。四处搜查终于找到百浪多息，可是有人来了并把百浪多息搬走，有幸金深水找到了一罐遗漏的百浪多息，并交给了李灵。金深水因为档案的事情又被野夫叫去调查，幸而被金深水蒙混过关。
为了让金深水尽快出来，李灵切断了医院的供电系统，这更让藤村怀疑医院里有内鬼。李灵赶去周镇救林婴婴，林婴婴得以救治，林婴婴告诉金深水，在淞沪会战国民党军就吃了日军细菌武器的苦头。她高度怀疑，跳蚤和老鼠是用来进行细菌战实验的。为了抓到金深水的破绽，野夫的下手，在樱涛阁里设置了监听设备，并监听到了李灵和金深水的对话。撒库拉告知金深水日本人在包间里的行为，得知自己和李灵被日本人监听了，叫李灵走，李灵说自己有任务没做不走。金深水让撒库拉把松竹梅去好好服侍监听的人，伺机让李灵对监听设备动了手脚，调换了监听内容。
静子来医院正好撞见金深水和林婴婴一起，暗自有些吃醋。林婴婴和李灵有些怀疑静子的身份，因为最近她和藤村走的有些近。野夫带军犬在医院附楼做例行检查，军犬对宪兵休息室沙发下产生了兴趣。野夫注意到了这个细节，他命人搬开沙发。就在大家以为要出问题的时候，沙发下丝毫没有状况。林婴婴告诉金深水，她怕夜长梦多，修复了宪兵休息室的地板，而且，将地道两端简单填埋，等到关键时刻再用。金深水找静子，静子对金深水有些冷淡。 运送马路大的宪兵队游击队的突袭。所以这一批的马路大被游击队救下，金深水和李灵感慨共产党人的无私奉献。
金深水和李灵，林婴婴研究通风管道的图纸，发现通风管道的一段与新秩序幼儿园的茶炉间相连。金深水以找静子吃饭为由，与林婴婴相掩护去通风管道探探情况。周鹏醒了，再次供出了他们新的交头地点，李灵向革老密报，他的另外一名同事败露，他很危险。林婴婴向金深水赞赏李灵赞赏中国共产党才是真正为人民服务的。由于藤村他们丢了马路大，他命令野夫尽快找齐一百个马路大，并且加强桃花镇的安全守卫，重要地点加强哨兵的看守，幼儿园也在其内。但在金深水的掩护下，林婴婴成功混进了幼儿园。金深水在陪完静子之后，找林婴婴会合，金深水通过幼儿园的茶炉间的通风管道进到了地下室，不料被人发现当成了新运进来的马路大。
到日本旅游的告示出来，还是有很多村民不愿意，野夫要求金深水给这些人做思想工作，金深水知道是计，没有办法，还得帮着张罗。金深水苦思冥想没有办法。连续多日的高压力，让感冒病毒入侵了，金深水生病住进了医院。金深水告诉林婴婴，唯一的不是办法的办法是，让他们感冒。一个流言开始在赴日本旅行团中传送，年轻力壮的小伙子们开始洗冷水澡，睡觉不穿衣服。等待集合日，野夫惊讶地发现，其中一半人居然患上了感冒，而且感冒开始在镇上流行。金深水被人打晕，等他醒来，他发现自己被关在了一个单间中。医生和护士为金深水检查身体，报告给秦时光，已经退烧。金深水假意醒来，非常诧异，秦时光告诉他，别人都去旅游了。
金深水重燃斗志，再探存荣地下室，绘制地图，为下一步行动做准备。突然，细菌培养室爆炸，金深水被当成实验人员参与处置。藤村估计损失，认为所有被感染日军必须被处决。金深水随大队被压往焚尸炉。焚尸炉大门洞开，火焰飞腾。金深水的尸体即将送入焚尸炉，他突然跃起，制服日军，将日军送入焚尸炉焚烧。他换上军装，几经周折，死里逃生逃出存荣医院。金深水和林婴婴告诉李灵存荣魔窟发生事故的信息。并且计划在日军在使用细菌武器之前，将地下室销毁。
金深水想要加入中国共产党，大力抵抗日军。日军监测到了李灵的电台信号，抓捕了李灵，对李灵施以酷刑，逼她供出合伙人以及上级，李灵抗拒不说。金深水来看李灵，李灵在金深水手心写下一个共字。金深水以身犯险要求警告模范区群众，对其进行公审。秦时光知道李灵对金深水有感情，要求金深水亲自处决李灵。金深水找到了李灵的同事，金深水劝阻游击队，以大局为重。他警告他们，一旦攻击，里面储存的细菌炸弹和动物将造成方圆上千公里的人畜死亡，后果无法预计。
金深水想尽办法，终于成功说服革老与游击队联手端掉存荣。上级给李灵发来指示，处置存荣医院必须稳妥。李灵报告，存荣有一个中队驻防，300余人，火力强大，而游击队只有500人。军统从南京及附近调集了50人，愿意协助行动。此外，新四军一支特遣队约100人化装成百姓和日军将于近日进入。金深水认为人力和火力可以与日军一搏，但是处置实验器材是个难题。金深水制定了详细计划，通过新发现秘密通道，他首先带队将全部老鼠杀灭。使用喷剂和火焰将老鼠和实验器皿全部杀灭。将全部炸弹、炮弹转移，事先检查是否安装了细菌弹头。
金深水成功摆脱眼线，找到革老后，和他商量布置作战计划，另一边，林婴婴通过对秦时光的撒娇，成功将游击队接应进来。金深水和游击队队长商量步战计划，有了钥匙，金深水秘密安排游击队员潜入地下，等待信号为囚犯打开牢门，并武装他们。另一组游击队员分头负责毁灭细菌。还有一组，通过地道将炸弹搬到保安处仓库。金深水找到革老，告知军统负责外围警戒，作为预备战队，看到金深水的两个信号弹，就与日本宪兵交火。新四军也城外围作为预备军。敌人的军队分为一个加强小队还有伪军，而金深水和高队长带队通过通风室进入地下魔窟的主走廊，但有一个问题是必须先救出地下魔窟里的中国同胞，才能全面开战。
