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1949年，解放战争进入最后的关键时刻，随着中国人民解放军的逼近，国民党仓皇百逃台湾。国民党国防部保密局直属特别勤务处少校参谋邓家骥及其妻子沈荷（张歆艺 饰）正是这败逃大军中的一员，他们的真实身份是中...
1949年初夏，中国人民解放大军以摧枯拉朽之势直抵上海，我红妆情报小组成员水莲准备跟随其夫苏铁前往台湾。临行之前，水莲准备把敌特潜伏名单送出，不料在与冷梅接头时遭到特别行动组组长熊尔健的伏击，为掩护沈荷冷梅牺牲。飞机突然提前起飞，苏铁只能孤身远行。他把上级领导黎大姐送给自己的派克钢笔留给了水莲，要水莲先回东北宁阳他的母亲家中。为了苏铁的安全，水莲带着冷梅的孩子来到宁阳，在宁阳医学院附属医院当了一名医生，改名沈荷。与此同时，熊尔健也奉命潜入宁阳，代号蚯蚓。在督察"娘们"的安排下，以工人邢立本的身份在宁阳医学院附属医院电工班当了一名电工，蓄谋实施潘多拉计划。沈荷在医院的一间办公室里发现了盛开的荷花，这让她想起了自己竹马青梅的娃娃亲丈夫。
一位男医生正在给荷花浇水，他是从海外归来的医生陈少凯。在政工科科长罗伟琴的眼中，陈少凯浑身充斥着小资产阶级的情调，是个问题人物，她让沈荷与陈保持距离。陈少凯却对沈荷一见钟情。劳模许师傅生病住院，车间主任误将被敌特安放了定时炸弹的闹表带进了病房。危急时刻沈荷剪断了引爆装置。急于抢回定时炸弹的敌特开枪将沈荷打伤。门诊部主任郑一民看见昏迷的沈荷大吃一惊。原来沈荷正是他苦苦寻找的恋人。蚯蚓辗转反侧不能入眠，他觉得一定在什么地方见过沈荷。沈荷醒来看见眼前的郑一民不禁百感交集，她不敢相信她的东亮哥居然还活着。
陈少凯感觉到沈荷与郑一民之间的关系非同一般。一心想嫁给郑一民的曹黎黎找到医院，见郑一民居然在喂沈荷莲子粥醋意大发。炸弹事件引起了公安局侦察科长田春江对沈荷的注意。郑一民不肯相信沈荷会是潜伏敌特，他希望沈荷能对自己说出这五年的经历。沈荷告诉郑一民，如果还相信当年的小芙妹妹就不要逼问。公安局接到揭发沈荷是接受过专门培训的国民党特务的举报信，将计就计进行火力侦察。沈荷和邢立本被医院授予反特英雄。庆祝舞会上，田春江率人将沈荷带走。蚯蚓接到娘们的指令。
沈荷机智地利用展览图片为自己开脱，田春江遵照局长的命令放人。郑一民将沈荷从公安局领回，但他认为事情没有这么简单，他希望沈荷不要成为自己熟悉的陌生人。面对近在咫尺无法牵手的恋人，沈荷很想道出实情，但为了邓家骥的安全，她只能保持缄默。陈少凯找到郑一民要他为沈荷主持公道。蚯蚓找到潜伏敌特马万忠，威逼其炸毁中央领导专列。受伤的公安干部突然死亡，担任抢救的医生沈荷受到怀疑有口难辩。化验报告显示伤者体内有中枢神经麻醉物质。公安人员顺藤摸瓜找到潜伏敌特马万忠，故意打草惊蛇。
心惊胆战的马万忠来到东陵公园与蚯蚓见面。田春江带人张网以待，就等敌特前来接头。突然护林员出现在马万忠面前，搅乱了整个部署，蚯蚓迅速闪身逃离现场。沈荷因公安伤员的死亡被停职，愤怒的陈少凯摔碎了郑一民的荷花。郑一民悄悄潜入殡仪间再做尸检。百思不得其解的沈荷也来到这里。他们在猝死伤员的耳后发现了针眼。沈荷的嫌疑被排除，郑一民为擅自尸检受到处分。马万忠交待有个叫娘们的特务就潜伏在医院，田春江认为沈荷有重大嫌疑，带人到医院展开调查。熊尔健带着王彩玉到沈荷家做客，本想试探沈荷的真实身份，却险些暴露了自己。医院宣传栏前，沈荷发现熊尔健脚下未燃尽的纸条上有明晚二字。
王彩玉兴匆匆回到家中，告诉熊尔健沈荷送自己咖啡了，沈荷真地是自己人。熊尔健意识到沈荷是在试探自己的身份，生气地摔了咖啡，斥责王彩玉糊涂。沈荷在家门前遇到田春河，得知电工邢师傅未上夜班，想到其脚下未燃尽的纸条，沈荷转身离开家门。雨夜，熊尔健准备去刺杀当年几次从自己枪口下逃脱的女共党。这个人实际就是沈荷要找的黎大姐，现已恢复真实姓名的李平。李大姐要田春江帮忙寻找苏铁的母亲。狡猾的熊尔健发现门外有人取消了行动。早起晨练的陈少凯发现淋了一夜雨的沈荷，急忙把沈荷送回家中，并答应为沈荷保守秘密。马万忠吞刀片被送到医院抢救。他认出沈荷是苏长官的太太，要沈荷救他。沈荷为此再次成为被怀疑的对象。
一个黑衣人闪进病房，马万忠突然死亡。周挺散布是沈荷为掩盖身份毒死了马万忠。田春江仔细分析案情后，决定欲擒故纵，让医院停止对沈荷的调查。公审大会上，特务白长凤当场指认台下一男子是特务。沈荷认出这男子是当年掩护过她和冷梅的自己同志，沈荷心绪难平。罗伟琴要沈荷交待自己的问题。陈少凯告诉沈荷无论出现什么情况，他和郑一民都会支持沈荷。王彩玉迫于公审大会压力劝熊尔健自首，争取做共产党的大英雄，遭到熊尔健喝斥。走进诊室的沈荷突然在兜子里发现了一个小纸条。
沈荷按照纸条上规定的接头地点见到了自称台湾来客的钱少奎。沈荷从他的口中得知将有敌特空降桃花林，她急忙写了一张字条悄悄放在田春河的自行车座下。字条上提供的消息和我公安机关掌握的情况基本吻合，我公安部队封锁了桃花山林区。为接应空降，蚯蚓熊尔健命钱少奎在轮胎厂仓库安放定时炸弹。田春江带人成功抓获了空降敌特大表哥和二表哥，得知敌特欲在宁阳实施"潘多拉"计划，释放日本关东军731部队的生化细菌。为阻断敌特的罪恶行动，公安机关紧急采取行动。熊尔健急于查证空降表哥的安危，命钱少奎赶快修好电台。沈荷得知罗伟琴去上海搞外调，在就要与敌特正面接触之前，她不想再起事端。她从报纸上得知中央首长来到宁阳，马上到市委机关要求见首长。不料却被当成可疑人员，扣押了工作证。郑一民要沈荷道出真实目的，沈荷说就是想证明自己不是国民党太太。
电工邢师傅生病几天没来上班，沈荷前往其家中看望。在熊尔健家中，沈荷遇见了躲闪不及的钱少奎。他们虽然摸不清沈荷的真正来意，但还是怀疑沈荷有可能是督察娘们。罗伟琴去上海外调归来，确信沈荷身上存在问题。沈荷拒不肯说出实情的态度令罗伟琴非常反感，她将沈荷从大合唱的名单中划掉，并让沈荷停职检查。郑一民再次诚恳地规劝沈荷说出心中的秘密。陈少凯为沈荷停职与罗伟琴发生争执，刻薄的语言气得罗伟琴流下眼泪。钱少奎去哈尔滨查清娘们不是沈荷，而是一个老家伙，沈荷可能只是他的下线。被逼前去与空投表哥接头的熊尔健，发现接头人穿着我公安部队的白华其衬衣，立即放弃接头。沈荷让郑一民去其家中取笔记本中夹着的一张照片。牛力成被找来了，但他只能证明与沈荷的一面之缘，并不能证明沈荷的真实身份。紧急关头市委王书记来到了医院。
王书记根据笔记本上的密码初步认定了沈荷的身份。但为了战友的安全，沈荷还是决定让王书记为自己保守秘密。在王书记的干预下，沈荷又恢复了工作。罗伟琴的儿子鲁海东病了，沈荷在为其治病时，发现鲁海东竟然是自己哥哥鲁杨的儿子，罗伟琴就是自己的嫂子。在公安部门的策划下，蚯蚓决定再次与空投表哥见面，地点定在电影院门前。接头时间临近，沈荷与一个志愿军小战士出现在侦察员们的视线中。售票室内的王彩玉无意间得知电影院门前有便衣警察，忙跑出门去通风报信。熊尔健发现了举着西瓜的王彩玉迅速离去。抓捕计划再次落空。赴朝战地医疗队开始报名，陈少凯一心想与沈荷共同奔赴前线并肩战斗。曹黎黎得知郑一民与沈荷的娃娃亲关系大为恼火，在医院引起轩然大波。在郑一民的盛怒下，曹黎黎答应向沈荷赔礼道歉，不料却发现陈少凯正单腿跪地向沈荷求婚。
在"娘们"的逼迫下，蚯蚓决定再次接头，地点定在苇子沟。沈荷又在抽屉里发现了蚯蚓的字条，沈荷来到电工班，她从田春河口中得知邢师傅还会修无线电收音机。沈荷愈发觉得这个邢师傅可疑。为尽快抓住蚯蚓，清除潜伏敌特，沈荷揭下决心书，再次成为瞩目的焦点。沈荷又将情报巧妙地送到了田春江手中。田春江带人来与蚯蚓接头，蚯蚓熊尔健发现一侧树林中有望远镜，顿时意识到空投表哥已落入公安手中，马上遁逃。罗伟琴的丈夫鲁杨在朝鲜前线壮烈牺牲。站在鲁杨牺牲的地方，沈荷想起和哥哥在晋察冀根据地分别时的情景，再也抑制不住内心的情感，她哭着告诉罗伟琴鲁杨是自己的亲哥哥。
许多志愿军指战员因长期食用炒面患上夜盲症，沈荷受命攻关很快拿出治疗方案。郑一民捎回信息，希望院里能够生产战场急需的创伤膏，沈荷再次挂帅研制。 "蚯蚓"妄图将一直藏在自己手中的美制新型毒剂投入创伤膏中，王彩玉为不让熊尔健再做伤天害理的事情与熊尔健大吵，恰被来找熊尔健修理收音机的罗伟琴遇见，吓得熊尔健一身冷汗。田春江得知沈荷是罗伟琴的小姑子，便问罗伟琴是否听鲁杨说起过这个妹妹的事情，罗伟琴摇头，她也只知道鲁杨有个妹妹。田春江报告李大姐苏铁同志的母亲已经找到，李大姐抱病来到宁阳。可是这个舒大娘并不是苏铁的母亲。沈荷的衣兜里不但出现了蚯蚓的密令，还有一瓶毒药。蚯蚓命令沈荷将毒药投入创伤膏中。李大姐住进医院，沈荷负责为其治病。遗憾的是苏铁留下的那只派克笔沈荷没有带在身边。
熊尔健溜进街边的电话亭。沈荷桌上的电话响起，一个沙哑的声音命令沈荷必须在中午之前完成投毒任务。电工邢立本走进制药间，得知沈荷此时正在里面。他将一面小镜子悄悄对准了工作台。为引出敌特，沈荷仰装投毒。周挺自以为抓到沈荷现行，把沈荷拘禁起来，不料他手中的物证却被调包。立功心切的周挺对沈荷进行审迅，并且以邓母相威胁，心急如焚的沈荷担心敌特再次行动，苦苦相告周挺注意创伤膏。陈少凯回医院来取创伤膏，得知沈荷被周挺拘禁，挥拳砸向周挺。李大姐要田春江尽快把沈荷的事情调查清楚，妥善处理。熊尔健又见到了当年的女共党，决定再次下手。可等他取回枪来，李大姐已离开医院。为确保万无一失，医院决定对创伤膏进行检验。
想到前线急等救治的伤员，沈荷心急如焚。为了使创伤膏能尽快运往前线，沈荷当众划伤自己的胳膊以身试药，同时打算以此逼出"蚯蚓"。不料，此举竟然加深了熊尔健对沈荷的信任。为保护沈荷，陈少凯手举玫瑰向沈荷求爱，可是还是被沈荷拒绝了，痛苦的他在雨中拉起了小提琴。一把雨伞撑在了他的头上，罗伟琴出现在他的身边。金霞不满周挺的所作所为，不愿再理周挺。周挺顿时伤心不已，喝得酩酊大醉，爬上露台欲要跳楼。罗伟琴将其劝下。在新华书店，周挺遇见了郑一民的妹妹郑小燕，随起爱慕之心。沈荷的抽屉里又出现了一封信，蚯蚓说已给沈荷请功。沈荷再次试探电工邢师傅，故意把信放在了桌子上。狡猾的熊尔健意识到沈荷很可能就藏在一边，根本就没动桌上的信。沈荷查阅图书，发现了蚯蚓所交毒药的另有隐情。
罗伟琴准备通过曹黎黎介绍郑小燕与周挺认识，这让周挺欣喜不已。孰不知沈荷已经为郑小燕与田春江当起了红娘。邓母六十大寿在即，为解婆婆思儿之苦，沈荷假借邓家骥之名写回一封信，令邓大妈欣喜不已。田春江在和郑小燕的接触中总是自觉不自觉地把话题引到沈荷身上，这让郑小燕非常不快。周挺满心欢喜地与郑小燕见面，却被小燕告知已有男朋友，而且介绍人是沈荷，这更加深了周挺对沈荷的不满。在战地医院，战斗英雄朴俊熙的脚严重感染危及生命，面临截肢，可朴俊熙坚持要保住自己的腿。郑一民要求沈荷火速赶到战地医院。沈荷临行前送出情报，告诉田春江蚯蚓就潜伏在宁阳医学院附属医院。田嫂将邓大妈儿子的来信拿给田春江。田春江发现信上的笔迹和自己接到的字条上的字迹非常相像。
朴俊熙腿伤日渐严重，陈少凯主张立即截肢，朴俊熙坚决不肯，郑一民坚持再等一下沈荷。沈荷风尘仆仆赶到战地医院，却对保住朴俊熙的伤腿没有把握。陈少凯不愿沈荷再担风险，安排朴俊熙手术。绝望的朴俊熙举枪对准自己的太阳穴，道出自己的心声。沈荷被打动了，她决心一定想办法保住朴俊熙的腿。蚯蚓熊尔健受到督察娘们的恫吓，原因是欺骗上峰邀功领赏。熊尔健意识到沈荷有问题，他要杀了沈荷，再告发苏铁。王彩玉苦劝其不要再做伤天害理的事，穷凶极恶的熊尔健掐住了王彩玉的脖子，绝望的王彩玉哭着投湖了。熊尔健拉住王彩玉说自己不杀沈荷了，可能是药过期失效了。田春江又向邓小燕了解沈荷的情况，结果又不欢而散。沈荷顶着巨大的压力保住了志愿军英雄朴俊熙的腿，朴俊熙欢喜地把沈荷认作阿姐。郑一民与沈荷攀上瞭望台，对着夜空喊出了埋藏已久的心里话。
陈少凯由衷地敬佩沈荷，他鼓足勇气再次向沈荷求婚。夜晚，山坡上，沈荷点亮手电筒代邓家骥遥祝邓大妈生日快乐，周挺见此情景顿起疑心。曹黎黎随慰问团来到战地医院，见沈荷和郑一民在一起再次醋意大发，当众羞辱沈荷。敌机突然轰炸，为救曹黎黎沈荷负伤。田春江带人来到医院设计引出蚯蚓，狡猾的蚯蚓发现问题按兵不动。沈荷返回宁阳医学院，蚯蚓的指令也随之即到。他命令沈荷配合他窃取住院首长的作战情报。沈荷将此情况及时传递给田春江。成事不足败事有余的周挺泄露消息，熊尔健为此取消行动。
邮递员送来一封觅名信，信中说敌特已盯上可疑首长。田春江明确意识到写信人就在医院。赴朝医疗队载誉归来，郑一民和陈少凯分别荣立二等功，郑一民成为医院院长的后备人选。在能否宣传沈荷的问题上，罗伟琴和郑一民产生了分歧，最终，罗伟琴同意尊重事实，沈荷的事迹登上了报纸，周挺为此耿耿于怀。敌特在曹黎黎手电筒上安装无线电发射器引来敌机轰炸之事被查出，曹黎黎痛心疾首，夜不能寐。田春江在检查地下设施寻找潘多拉隐藏地点时扭伤了腰住进医院。他觉得沈荷很可能就是写信之人，他告诉沈荷如果有什么需要帮忙的可以直接找他。修理部人去屋空，公安部门没有抓到为曹黎黎修理手电筒的人。沈荷来看望曹黎黎，得知是电工邢立本让其去的那家修理部。
田春江在调查中也注意到了这个邢师傅。抗美援朝胜利，熊尔健几乎崩溃，他不明白为什么美国人也不是共产党的对手。周挺利用手电筒事件大做文章，郑一民没有当上院长。曹黎黎受周挺挑唆，认为是沈荷影响了郑一民，与沈荷和郑一民大闹。周挺的童养媳妇周翠翠突然出现在医院，让周挺方寸大乱。郑翠翠自杀未果，却阴差阳错地救了落水的鲁海东。在鬼门关走了一遭的周翠翠，在沈荷的开导下，重新看到了生活的希望。田嫂为宋伯的孙子说明明的爸爸是反动派十分气恼，挽起袖子要去找宋伯理论。不料宋伯已拉着孙子来了，宋伯抽自己的嘴巴向沈荷赔礼道歉。
我公安机关已锁定敌特电台所在范围。田春江和郑小燕的爱情之花也有了结果。在准备婚事时，曹黎黎不请自来，让郑一民心里像打翻了的五味瓶。罗伟琴被陈少凯请去看了一场芭蕾舞。田春江和郑小燕喜结良缘。婚宴上曹黎黎以准嫂子的身份出现，对沈荷冷嘲热讽，闹得大家心中不快。郑一民想起曹政委牺牲前对自己的托付心情沉重。周挺权衡再三，痛苦地决定和周翠翠结婚。沈荷和郑一民撰写的论文获奖，沈荷和陈少凯被提拔当了内外科主任。胖三来到宋伯的修车摊，宋伯命令他尽快找到要找的人。熊尔健感觉到公安正在接近自己的电台，当机立断把一部分东西转移到了医院电工班。黑漆漆的屋子里，宋伯突然出现在他的身边。
