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1945年抗战接近尾声，日军将大批毒气弹偷偷运抵中国。军统王牌特工欧孝安，在冒死逃出毒气研究所“810”的过程中受伤，意外被同是特工的覃墨卿所救 ，醒后却发现自己缺失了近四年记忆。在揭露日军阴谋的过程中，欧孝安与覃墨卿频频联手，最终撕掉了日本特务的假面，并同时认定了自己地下党的身份。然而更大危机也在等待着他们，“ 8 1 0 ”的研究资料以及藏匿毒气弹的位置到底在哪？面对重重险阻，一群奋勇直前的孤勇者又该如何战斗。
1945年3月，缅甸腊戌拉卡山谷，电闪雷鸣，暴雨如注，密林之中，军统特工欧孝安与另一男子拼命逃跑，并不时躲避着身后日本兵的射击。男子大腿受伤摔倒，从衣服上撕下有9548字样的布条交给欧孝安，作为日后见面的身份证明。中国远征军和美军组成的搜巡小分队在清除日军基地时遭遇伏击，覃墨卿（中国远征军新编第一军38师军医）带队赶往救治。
“日本兵”缴了毛仁兴的枪，逼着毛仁兴说了当下的年代及周边环境，然后举手向包围他的远征军投降，不料被恼羞成怒的毛仁兴用木棍砸昏过去。毛仁兴很快认出，这“日本兵”是四年前在香港被魏清明亲自带队锄奸的原军统特工欧孝安！军医诊断结果为，欧孝安脑部遭受长期严重伤害，加之受到重击，形成部分失忆。
欧孝安被押至重庆站，站在大楼前，回想四年前时任站长的文一山为他送行的一幕。1939年7月，与静娴成婚前夕，他接到命令潜伏上海，打入以大桥和野为最高长官的日军华东派遣军情报处。1941年4月，大桥和野为了制造借口抓捕学生，从而迫使叶宣民现身，在虹口公园公开演讲。游行的青年学生纷纷聚集，假扮成学生的特务向大桥射击。
欧孝安回到住处急忙烧毁“落樱”资料，曾继武带着宪兵上门，带欧孝安去审讯室见大桥和野。刑架上的楼明远遍体鳞伤，大桥请欧孝安帮他审讯。欧孝安机智应对。楼明远被注射吐真剂，意识不受控制，用吼唱《国际歌》来抵抗幻觉。汪秋水向覃墨卿传达了组织批准她成为候补党员的决定。覃得知有一批医药物资急需转运，表示她有机会从哥哥那拿到运输通行证。
冯静娴来到黎少堂办公室，希望他能救欧孝安一命。黎少堂表示会尽力。在一楼大堂，冯静娴遇见被押进来的欧孝安。她忍着眼泪狠狠告诉欧孝安，自己要跟黎少堂结婚了，他对她很好，不像你是个汉奸！欧孝安一直记得有一个声音告诉他“黎少堂是日本间谍”，他对冯静娴吼叫着“黎少堂是汉奸”。
重庆站破译科一连截获五封密电，表明大桥和野已经把8400枚毒气弹运抵国内5个地点藏匿，但地点无法破译。对此，文一山认为欧孝安说重庆站有日本人的内鬼，是对的。魏清明表示，远征军抓到了日本军医安藤元吉，正在押往重庆的路上，到时毒气在哪、内鬼是谁，都会水落石出。
冯毓年怕黎少堂真的是日本间谍，要吴妈把女儿订婚的喜帖都收起来，先不寄出。文一山深夜来到禁闭室，暗示欧孝安要为自己或者黎少堂的身份寻找证据。冯毓年严肃地告诉黎少堂，欧孝安指控他是日本间谍，这到底是怎么一回事？黎少堂狡辩。第二天早上，警铃骤然响起，欧孝安自杀了！
静娴从吴妈口中得知，爸爸不让发结婚请帖，神情沮丧。黎少堂夜里回家，将密码本《三国演义》小说放入暗格时，突然被欧孝安控制，藏匿的《国内各大城市防空洞布局图和设计图》等文件以及密码本被欧孝安拿走。走入小巷，欧孝安对跟踪而来的覃墨卿说，她是故意送来报纸，并让她别再跟踪了。
审讯三室，黎少堂面对测谎，一味的否认自己是共产党，反而指认欧孝安出卖了军统给日本人。审讯二室，安藤元吉知无不言，但他在810只负责与人脑相关的记忆挟持实验，而“落樱”计划是生化方面的研究，因此他对魏清明最关心的问题一个也回答不了，魏清明暴跳如雷。审讯一室，毛仁兴审问欧孝安，欧孝安反客为主，企图从毛仁兴嘴上了解更多黎少堂的信息。毛仁兴恼火，吓唬道，军统已经抓住了安藤元吉，到时候就能指认欧孝安在810的一切。
魏清明召集两位站长开会，提出先解决欧孝安的身份问题，并一致同意让欧孝安与安藤元吉对质！魏清明查阅黎少堂的甄别档案，发现缺第28页，查问档案管理员得知，档案是沈从吾亲自归的档。欧孝安看到安藤元吉的那一刻，810监狱的画面片段纷乱袭来。回到1941年3月，苗江把《军统驻上海特务机关及其人员名单》交给田中浩二，正式成为大桥和野安插在军统重庆站的内鬼，代号“麋鹿”。随即，日本《读卖新闻》刊出了《欧孝安脱离蒋政府启事》，军统因此证实是欧孝安出卖了军统驻上海情报网。
欧孝安和安藤对质时，安藤暴毙，经尸检发现是毒发身亡。一时间，重庆站内人人自危，都怕背上日谍的嫌疑。黎少堂测谎没有通过，虽排除了日谍嫌疑，又被怀疑是共产党。沈从吾被总部派来调查重庆站日本内鬼一事，他做主释放了欧孝安，让大家暂时把精力放在大桥和野以及毒气弹上面，并在重庆站常驻下来。回到1941年5月，黎少堂向沈从吾交代了作为“日晷”与共党楼明远的交往经过，还表示要留在军统，在生化方面为党国效力。随后，黎少堂进入青浦训练班，训练结束后加入重庆站。沈从吾告诉黎少堂，他跟共党霍明达取得联络之后，与“野草”相关的电台明显活跃起来。但是“野草”为什么没有出现、没有在测谎时出手呢？
文一山给欧孝安安排了住处，但周围都是站里安排的眼线，监视他的一举一动。黎少堂的家里也被安排了监听，而冯毓年不放心女儿的归宿，一直打听黎少堂还有什么家人，最后还要求推迟婚礼，黎少堂无奈答应。在站长上报给沈从吾的调查小组名单中，欧孝安黎少堂都在其中，为了便于观察两人的行动，沈从吾同意了这个安排。叶宣民得知810监狱的牢房内只剩下在病毒实验中形成抗体的囚犯，便开始绝食，想以此阻断大桥的病毒研究。大桥命令医生给叶宣民注射葡萄糖液，确保在810转移过程中能够活着。欧孝安接受了鲁斯博士的第一次治疗，确实什么也没有想起来。覃墨卿将信将疑，希望欧孝安想起什么都能及时地告诉她，他想起的每一个片段都很重要，他们俩的目标是一致的。
欧孝安接受了鲁斯博士的电疗，想起了逃离810时狱友9548给他的布条，以及看到的黎少堂测谎报告内容，而布条被覃墨卿拿走且没有上报。两人互相交流信息且达成默契。而狱友9548被缅甸村民救起，正在寻找中国军队。冯毓年发现黎少堂故意放唱片躲避监听，只得命令柳钰凤带人拆除了装在黎少堂家的窃听器。沈从吾开会宣布810特别调查小组正式成立，任务是找到810、活捉大桥和野、查清8400枚毒气弹的藏匿地点。欧孝安当场表示异议，认为还应该查站里的日本奸细！被沈从吾无视。会后，黎少堂向欧孝安表示要尽释前嫌，不再怀疑彼此。
调查小组开会研究810监狱的位置，欧孝安和黎少堂暂时合作，一起商议。在鲁斯博士的治疗下，欧孝安回忆起810所在的大致位置，并告知了沈从吾。不久，沈从吾专门召集810小组开会，兴奋地报告了一个好消息，远征军38师找到了810监狱，并且解救了监狱中的囚犯，而且其中有关押在810的22名共党分子！军统决定秘密关押并审讯他们。
覃莫卿将远征军搜到810的情报以及我党同志被俘的消息紧急传递给汪秋水。汪秋水立即找到汪云杰，要求不惜暴露电台、牺牲生命，也要把情报发出去。汪秋水负责准备干电池，汪云杰负责联络黎少堂，了解国军押送生化资料及22名我党同志的时间和路线，然后去郊外发报。沈从吾截获电报，以及从黎少堂处消息推断出调查小组中有共产党潜伏地下党“野草”。由此特意放出消息说要埋伏营救共产党的游击队，并监视所有小组成员，妄图找出“野草”，同时对共产党地下组织一网打尽。汪云杰趁监视特务撤离之机，把情报送给“老何”。沈从吾带领特务埋伏，久久不见“野草”和汪云杰，心生疑惑，派孙主住去医院看住欧孝安、覃墨卿。汪秋水译完情报，告诉弟弟，“黎已叛变”四字宁可信其有，要提防黎少堂，济世堂已经暴露，马上放弃。孙秘书在治疗室外看不到欧孝安的脸，让鲁斯博士开门，鲁斯博士不开门，孙秘书正要砸门时，欧孝安把门打开了，孙秘书愣住。
欧孝安偷偷潜入档案室查阅日晷行动档案，发现黎少堂的档案少了一页关键信息。“老何”安排济世堂和来骏升立即撤离，并让汪云杰将一部电台移交给黎少堂以迷惑敌人。但黎少堂提前来到济世堂，汪云杰来不及撤离，为不暴露其他人而开枪自杀。欧孝安和覃墨卿亲眼目睹这一切而束手无策。特务冲进来骏升家，搜查发现是一只公鸡啄食摁动了发报机的摁键，发出了信号。电讯科初步调查，发报机是来骏升用科里的零件组装，人已逃走。沈从吾、黎少堂尴尬不已，也由此判断来骏升就是“野草”。深夜，汪秋水思念弟弟，万分悲痛，夜不能寐。
覃墨卿回家见有两特务在家附近监视，引诱特务来到咖啡屋，警告特务绝对不得打扰她家人。找到“野草”，沈从吾也就完成任务了，马上就返回总部，整个重庆站像送瘟神一样送别他。黎少堂不甘心这样的结局，找到鲁斯博士询问，想继续寻找欧孝安的罪证。不得已在悦来酒楼请欧孝安吃饭，当面进行质询。双方你来我往，互相探听对方底细。最后欧孝安拿出“9548”布条，告诉他，9548是与他一同逃出810的人，那天他去找9548了，找到9548就能证明你的身份。覃济儒和三位太太给覃墨卿隆重介绍周若飞，她应付几句后便独自上楼了。
周若飞为讨好覃墨卿去旗袍店订旗袍送给她，这引起了旗袍店老板的疑虑。覃墨卿赴约周若飞饭局，套话得知原来是沈从吾在其中牵线搭桥。搜索队在缅甸终于找到了810监狱，但日本人已人去楼空，看着那些现场照片，欧孝安回忆起1941年5月，他进入810监狱后彻底绝望，开始绝食，直到第四天见到叶宣民，才重新燃起了生的希望。叶宣民向欧孝安介绍了楼明远的一生，那张《肖邦钢琴曲》唱片就是当时楼明远人生的一道光，引导他走上了革命道路。
欧孝安在狱中认识了军统、中统、中共被俘的狱友。他每天被绑在治疗椅上进行电击、注射药剂。欧孝安始终不肯为大桥和野默写“落樱计划”资料，直到大桥和野拿出一张冯静娴在学校门口的照片，才不得不答应大桥的要求。从此，欧孝安每天痛苦地为大桥默写“落樱”计划资料。为了让欧孝安每天默写更多资料，大桥暂时停止了安藤的记忆挟持实验。欧孝安也有了每天晒太阳防风的机会，借此他仔细观察周围的环境，为越狱做准备。
大桥要欧孝安帮助医治玲子的病，可以到玲子的舞蹈室陪伴她。欧孝安为便于观察逃跑路线，同意了。欧孝安默写完落樱计划的资料，大桥就又将他交给了安藤做记忆挟持实验，这使得欧孝安身体状态急剧恶化。欧孝安告诉大桥玲子，他与所有囚犯都是大桥的实验活体，都将痛苦地死去。玲子同情的说她实际也是中国人，是被大桥收养，用来给做实验找借口。回忆到此，魏清明问欧孝安知不知道周思平等人的名字？欧孝安说他不记得了。魏清明把810狱中囚犯写的信书拍到他面前！
