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抗战开始前夕，国民党军统部门在上海设立“三和无线电学校”，以商业无线电学校的名义，从知识青年中大批招募培养谍报人材。我党派遣地下工作者辛晴加入学校，预先为我党培植力量。天才报务员许少清在学校中脱颖而出，但对校内的反动政治氛围深感苦闷，在和辛晴的交流中，他毅然选择加入中共，走上了地下工作的道路。
太平洋战争末期，日军垂死挣扎，向中国大后方战线增兵，执行所谓“打通大陆交通线”战役，以联系华南沦陷区与日占越南。中国正面抗日战场压力骤增。盟军制订“上海快车”计划，制造盟军即将在上海实行战略登陆的假象，以缓解中国压力。美军上尉卡根被委派执行“死间”任务，冒死登陆侦察，以迷惑日军。日军特高课和汪伪政治保卫局同时获知卡根登陆。
许少清、辛晴、刘永强都曾是军统上海“三和无线电学校”的学员，辛晴早已加入我党，潜入“三和”欲发展我方地下工作者，成功招募了许少清。刘永强毕业后失踪。许、刘均不知道各自早已分属不同阵营。重庆军统高官章德安是许少清、辛晴、刘永强三人在“三和”学校的老师，他的女儿章嘉雯则刚开始在军统做实习报务员。许少清在救卡根的过程中被捕，刘永强请示军统上级章德安，要求配合卡根。
许少清在特高课监狱援助了被于庆堂出卖的狱友老潘，不料老潘竟是军统内和章德安分庭抗礼的重要人物。许少清的“尸体”被送回汪伪政治保卫局，辛晴以遗孀身份扶柩离开上海，汪伪政治保卫局局长于庆堂误以为许少清乃军统人员，拦截灵柩，以救活许少清为条件要求军统对他附逆既往不咎。许少清苏醒，发现辛晴被于庆堂喂毒昏迷后扣为人质，刘永强寻踪救出辛晴。
卡根被日军用缴获的汪伪“落魂丹”毒昏，送入医院。为了让“苦肉计”更加逼真，章德安在明知日军预先埋伏的情况下，指示上海军统行动组不计代价救出卡根。行动组遭遇重大伤亡，特高课课长泽田春树从此开始相信盟军即将登陆的情报。刘永强为救辛晴，盗取了特高课本来预留给卡根的解毒剂，导致卡根的牺牲。
章德安和部下任洪铭亲赴上海，调查老万的问题，为证实老万是否已叛变，他还带去了老万当年的生死搭档老潘。章德安见到了他安插在日军中的情报人员——刘永强。章德安向刘永强透露了“上海快车计划”，刘永强表示会为全力配合这个计划的完成。老潘多方寻找在监狱里帮助过自己的“周三德”，并且最终在余庆堂那里得知这个人就是许少清。
章德安提出重新招募许少清的要求，因“上海快车”计划事关抗战大局，同时为了抗战胜利后，进一步开展针对国民党方面谍报工作，上级同意许少清借此机会加入军统部门。章德安对于许少清还是怀疑，于是设计绑架了他和余庆堂。在枪口面前，许少清镇定自若的通过了考验。为求保命，余庆堂却说出了自己和重庆方面也有联系，也因此被打死。
泽田对于一直没有找到“金耳朵”许少清而耿耿于怀，于是决定组织“日华电讯大会”来引出他。刘永强告诉许少清：章德安并没有离开上海，他认为许少清已经没有利用价值了，而日本人对许少清也是虎视眈眈，这次比赛要全靠他自己。而我党的负责人马柏年认为这次机会是许少清打入特高课的好机会。许少清以“周三德”的身份参加比赛，在比赛中表现的近乎完美，打败了伪装成老万参赛的日本王牌谍报员藏重隆一。
泽田闯入许少清的家，把许少清带到特高课进行所谓的“洗脑”。许少清在完全听不到任何声音的“洗脑室”里靠着对辛晴的情感支撑自己熬了过去。为了拿到“上海快车”的密码本，刘永强杀了舞女依莲，但是情急之中，他又不得不把的密码本交给马哲，辛晴虽然很怀疑刘永强，但是马哲却认为刘永强的行为值得赞赏。
许少清设法从特高课的“禁地”里跑出来与辛晴会面，给她传递了重要的情报。辛晴也因此知道：许少清之所以能通过无人能幸免的“洗脑”，是因为他用自己的手指在手心里刻了辛晴的名字，以此来保持自己头脑清醒。在我党的协助下，大量的电台频繁的开始活动，一系列的迷惑日军的假象越来越多的被制造出来，这一切使得泽田也越来越开始怀疑：“美军难道真的是要登陆了？”“上海快车”计划因此有了重大的进展。
刘永强在章德安的安排下救了辛晴和我党同志，这件事情使得马柏年对于刘永强更加的信任，他希望这样的情报人才可以加入到党的队伍之中，辛晴则希望能够再多些时间来考察刘永强。藏重隆一始终对于在比赛中输给许少清怀恨在心，过度的自负让他最终出现了重大的失误，高傲的他选择了结束自己的生命。泽田则对于许少清越来越信任，把他升职为特高课的报务室主任。
抗战胜利在即，许少清需要撤出特高课，离开时和日军激烈交火，关键时刻，辛晴赶到，两人一起冲出重围，成功撤退。撤退之前，许少清模仿泽田的指法发了电报，让日军误会泽田和军统暗中勾结，泽田因此被以汉奸罪逮捕，泽田在最后时刻才明白，输在许少清这个自己一手提拔的人手上。刘永强则被马柏年安排去了革命根据地，希望他能够接成长为一个合格的革命战士。
在根据地的刘永强通过了党组织对他的考验，组织上决定安排他去上海的六工委担任重要的工作，刘永强对于自己获得了党组织的信任感到很得意。虽然对于许少清依然不完全信任，章德安对于他的才华始终有些弃之可惜，决定冒险的再次启用许少清。而辛晴也因为表现的突出，被上级任命负责整个电台的工作。
章德安对于许少清的考验始终都不曾停止，许少清的机智使得我党的秘密电台顺利得以转移。就在秘密电台转移的第二天深夜，许少清被章德安从睡梦中叫醒，章德安告诉他：中共上海地下党已得到一份重要的军事情报，秘密电台将于凌晨时分发报。许少清的任务是和其他侦听员一起登上几辆测向车，在市区内搜索，尽快搜出秘密电台准确的方位，争取连电台和报务员一锅端，章德安安排任洪铭和许少清坐在同一台车上。
1945年6月中旬，国民党集中30万兵力包围了新四军第五师和中原军区部队，辛晴译出了秘密电台收到的延安的加急密电，立即与马柏年见面。马柏年视察了秘密电台之后，亲自赶来刘永强住所，要他作好准备，随时赶去维修秘密电台。马柏年没说出秘密电台转移后的新地址，刘永强也不便问。可等马柏年一走，刘永强立即打电话通知章德安，章德安马上给驻守在刘永强住所对面的军统特工下死命令，要他们必须盯死马柏年。
马柏年被捕后不论怎么被折磨都没有说出一点有关地下电台的事情，章德安只好亲自出马，并且让许少清一起参与对马柏年的审讯。马柏年看到了许少清，提出一点要求，如果让他招供可以，但是必须让他见到出卖自己的人。情急之下，章德安只好安排刘永强与马柏年见面，马柏年要求刘永强去苏中把自己的爱人和孩子接到上海。
刘永强和辛晴转移到解放区，黄哲告诉辛晴他将会代替马柏年出任上海六工委的负责人，同时辛晴提出在上海建立一个商业电台来掩护我党的秘密电台。黄哲鉴于刘永强曾当过上海日本宪兵队特高课的翻译官，历史不清白，秘密电台转移之后又迅速暴露,对他进行严格审查。其实，刘永强的身份是章德安安排好的。刘永强原名叫杨瑞年，加入军统之后，被章德安派去顶替一个在医院里病死的学生刘永强，而刘永强的母亲住在苏中农村。
黄哲和刘永强回到上海，见到了六工委新的电台负责人周良，他名义上就是我党新组建的商业电台亚新电台的台长。章德安放出假消息，使得党组织认为马柏年和许少清之中有一个人已经叛变，辛晴找到许少清，让他尽快找到真正的叛徒，但是时间只有三天，许少清表示希望组织上再给他一次机会证明自己。
解救马柏年的行动失败，马柏年牺牲。黄哲和辛晴接头，他开门见山，谈的头一件事就是许少清的今后的工作安排。黄哲告诉辛晴，组织上决定，加快步伐，要求许少清利用章德安和章嘉雯父女的关系进入军统高层，保证中共地下党的组织安全，具体措施是，许少清应接受章嘉雯的追求，如必要，就和她结婚，做章德安的女婿。
辛晴回忆起十年前她临危受命去杭州建立地下党秘密电台时的情景：当时，比辛晴小一岁的许少清被组织临时派来做她的假丈夫，他们对外以一对小夫妻的公开身份，开了一家杂货店来掩护秘密电台，两人一开始时相互反感，后来遇到危险时又勇敢地相互掩护，在遇到困难时，许少清突然迸发而出的机智和才华，给了辛晴深刻的印象，慢慢的，他们相互吸引，终于无法控制住青春的冲动，违反纪律，偷偷恋爱了。
章德安知道许少清和章嘉雯约会之后，极力反对他们谈恋爱。他认为，许少清追章嘉雯的目的是为了向上爬，想巴结自己，不惜拿他女儿的幸福当赌注。我党的5号情报员在和辛晴之后很快就被暴露，在敌人的追捕过程中牺牲。许少清告诉辛晴，这一定和内部出了问题有关系。辛晴把自己的怀疑告诉马哲，马哲认为是辛晴在为许少清和章嘉雯谈恋爱的事情影响了情绪。辛晴表示自己会努力找出到底谁是内奸。
