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《面具》以中共在哈尔滨解放初期的反特行动为时代背景。1948年腊月初一，在哈尔滨潜伏十年的军统特务李春秋（祖峰 饰）突然被唤醒，要求执行“黑虎计划”。李春秋十年的平静生活被彻底打乱，关于信仰的抉择、家庭的责任、情感的归属，极限境遇加之一身，经过一系列惊心动魄的斗智斗勇， 他最终看清了国民党特务机关的血腥残酷，在共产党人的感召下弃暗投明，实现了信仰从忐忑到觉醒的蜕变。
特务孟令喜在打猎的时候被潜伏在文化局的女特务尹秋萍唤醒，技术精干的公安局法医李春秋竟然也是尹秋萍的唤醒对象，并且给李春秋下一道急令：偕同孟令喜，二十四小时之后，离开哈尔滨，去刺杀一个人。恐慌中的李春秋联络孟令喜，准备一起离开，十年前救过李春秋性命的孟令喜不想跟随李春秋执行任务，顿生杀意，李春秋为完成刺杀任务，放过孟令喜。
特务陈彬来到医院，戒备森严的医院让他无法进入尹秋萍的病房，陈彬携带炸弹来到医院大厅，被李春秋发现，李春秋向陈彬发出信号，混乱中。陈彬撞到外出采血刚刚回到医院的姚兰，看到与姚兰近在咫尺的炸弹正闪烁着灯光，李春秋舍身拆除炸弹，忽略了倒地的姚兰，姚兰被同事方黎救走。炸弹没有爆炸，事后姚兰对李春秋在危机时刻不能拉自己的行为极度不满，并质问李春秋戒指的去向
魏一平早就发现孟令喜偷偷记下了特务自首的电话号码。之所以这么做，是为了考验李春秋的忠诚度。他承认李春秋在能力方面出色，但在心狠方面差一些，告诫李春秋在孟令喜家，就应该毫不留情地处死他。保密局长春站站长向庆寿决定把当年散落在哈尔滨的特务们组织起来，他们是自己的秘密计划里不可缺少的力量。
“梁福”的出现，李春秋十分紧张，他不知道这个梁福是否会指认他。李春秋开始准备逃离哈尔滨，他假借去买酱肘子离开公安局，丁战国派人跟踪他，逃跑的途中，李春秋仔细回忆在鼎丰酒楼与尹秋萍接头的经过，记忆中没有“梁福”这个人，于是，李春秋买完酱肘子之后回到公安局，并且径直闯入梁福的审讯室，果然，梁福根本不认识自己。
半夜，李春秋被这几天的经历压得无法入睡，想象丁战国也在夜色中偷窥他，这气氛让李春秋无法喘息。第二天李春秋找到魏一平，提出自己想带着妻儿调回南京。魏一平质问李春秋拆除医院的炸弹是何居心，李春秋解释是为了保护妻子姚兰。魏一平让他看高奇的照片，并询问是否见过这个人，李春秋否认。
夜晚，陈彬来到食品库布下炸药，没想到炸弹哑火，被管理员发现，陈彬杀死管理员后逃走。魏一平接到上级命令要求炸毁医药库。第二天，魏一平来到学校，让李春秋去了解丁战国对食品库炸弹中雷管的调查情况，李春秋声称目前的状况无法去调查，魏一平用孩子威胁。李春秋跟随丁战国来到食品库调查，丁战国发现炸药疑点，化验结果显示雷管中的甘油成分来自肥皂的提炼，高阳将调查方向锁定在肥皂厂。
李春秋来到医院，看到大厅挤满要开抗生素的老百姓，知道药品非常紧缺。李春秋找到方黎，借口替同事开抗生素，打听到药品库的药品分布情况。李春秋到医药库实地勘察后，将探得的情报向魏一平汇报，提出希望由自己来执行这一次的爆炸行动。
李春秋到医院找方黎询问为何要跟踪自己，无意间发现妻子姚兰和方黎出轨。李春秋找到一把手术刀准备冲进房里，被丁战国一把拽住。丁战国告诉李春秋，郝师傅死了。在高阳办公室里，李春秋将案情分析透彻，推断出郝师傅指甲缝里的绿色颗粒是某种绿色灌木，由此认定第一案发现场还没有找到。高阳对公安局内部的复杂情况深感焦虑，他不得不将怀疑对象扩大范围，并决定彻查后院。
姚兰决定和丈夫摊牌，但方黎却退缩了，他担心身份隐秘的李春秋会对他不利。李春秋从窃听器里听到了他们的对话很愤怒。情绪紧张的方黎来到旧情人家中，情人用烟土给方黎减压，两人的聊天中谈到国民党特务的所作所为，引起方黎对李春秋身份的再次怀疑。方黎感受到李春秋的压力，他想尽早离开这是非之地，约李春秋谈判，想做个交易。
深夜，李春秋接到魏一平的电话，有新的任务要他去执行。姚兰决定和方黎分手，劝说方黎离开哈尔滨，被方黎拒绝。方黎更加下定决心揭发李春秋，他电话联系丁战国，约好见面谈。这一席谈话，被正在监听方黎的李春秋听到。
在送赵冬梅回家的黄包车上，李春秋私藏了赵冬梅的一条丝巾作为再次见面的借口。深夜，陈彬找到春儿家，谎称自己是孟令喜的朋友。不久后，从春儿家冒出了滚滚浓烟。丁战国跟随卷发女人回到她家，在情浓似火之际，丁战国突然变脸，指出女郎的特务身份。凌晨，李春秋目睹了春儿家所谓的煤炭中毒现场，他心里明白，这一切都是魏一平搞的鬼。从他的心底，不由生出兔死狐悲之感，他对保密局的反感日益加重。
正在制作炸弹的陈彬和高奇，突然接到魏一平的电话，命令陈彬和高奇去医院除掉一个耳朵受伤的女人。陈彬无意说漏了嘴，去医院的法医是自己人。本来绝食的女特务忽然提出要吃一碗面，然后她用筷子插进了自己的耳朵。李春秋和丁战国带女特务进入医院大厅，正在守候的高奇向陈彬发出信号，高奇无意中听到法医二字，扭头一看，正是李春秋，李春秋也下意识的觉得刚刚盯住自己的高奇似乎在哪见过。
深夜，高阳告诉丁战国，国民党特务第二天准备刺杀在尼古拉广场演讲的民主人士，高阳指示丁战国在抓特务的同时，也可以设计揪出他心中的内鬼。陈彬的醉话暴露了身份，陈彬残忍的杀害女友小萍。在丁战国的“安排”下，李春秋参加尼古拉广场抓特务的行动。广场上，丁战国与治保主任的对话，锁定了嫌疑人——武霞和田刚，这让李春秋产生疑惑绷在李春秋心里的弦又紧了，他不知道丁战国要抓的特务是谁？会不会是陈彬？或者陈彬的化名？紧张不安的李春秋还要在丁战国面前表现的平静如水，太累。李春秋借上厕所之际思考一下如何向魏一平预警。丁战国已经布下天罗地网，看到武霞出入的面包房，让李春秋灵机一动。
看似轻松的田刚，并没有轻敌，他不经意间将身边的武霞换成路边的暗娼，当田刚被众公安包围无路可逃时，田刚将暗娼作为人质欲殊死一搏，丁战国枪声响起，田刚中弹负伤，远处，武霞听到枪声，提枪冲向公安，当她把枪口对准丁战国时，即将束手就擒的李春秋上前替丁战国挡了一枪，他知道这是他唯一拯救自己的方式。看到劫后余生的李春秋，姚兰用心呵护，她期待李春秋就此回归家庭，即便身在外心在家也好，这个深深触动了李春秋。丁战国和同事都找不出任何理由，去怀疑一个能用生命保护自己的战友，而高阳却让他不要轻易放弃去怀疑一个人。
李唐和丁美兮中午放学回家被一个神秘人跟踪，听到这个事情，李春秋联想倒在军统特训班的经历，这个神秘人一定是训练有素的专业人士，他会是谁呢。不出乎李春秋所料，这个人是陈彬。李春秋对陈彬的所作所为感到不耻，其实这都是魏一平授意，目标仅仅是丁美兮，为了对付丁战国。正在家中等候李春秋的赵冬梅不知道他正在处理这件棘手的事情，久等李春秋不来，赵冬梅以为他又在欺骗自己，气愤之余，赵冬梅孤身一人来到俱乐部上班，俱乐部老板趁机占她便宜，这一幕被迟迟赶到的李春秋看到，俱乐部老板不出意外的被李春秋痛打一顿。保密局长春站要派人到哈尔滨执行秘密任务，金秘书获得这一情报。
魏一平在刚刚获得的通讯录里找到了这个密码专家叶翔，他要求李春秋即刻唤醒他。李春秋奉命找到叶翔，两人的见面都很诧异，原来叶翔就是那个尹秋萍被杀的报案人，当时他在医院跟丁战国的眼神交流，让李春秋确信叶翔是丁战国的人，叶翔的唤醒人竟然是公安局的法医，这让叶翔意识到危险即将到来。叶翔跳窗逃跑，李春秋紧追不舍，这是一场生死决斗。叶翔终于摆脱李春秋的追踪，打电话给丁战国通报情况，此时的丁战国正在陪同李唐过生日，电话没有接通。远处李春秋将叶翔的电话线扯断。叶翔迅速逃窜，李春秋雪地狂追。在一个荒废旧厂房的搏斗中，叶翔失手，坠楼身亡。
李春秋去买天平仪器，被埋伏的侦察人员撞见，正当李春秋不知如何解释时，赵冬梅突然闯入仪器铺，李春秋松了一口气。深爱李春秋的赵冬梅已经无法自控，即便李春秋要甩开她。李春秋向魏一平汇报，现在所有的仪器店都有公安局的人盯着，只能另想办法，魏一平阴险的告诉李春秋可以从奋斗小学弄到这些东西。眼看接头时间临近，为了保证安全接头，魏一平让陈彬先去接头地点探路。叶翔失踪，苦恼的丁战国又来到春光照相馆，试图还原案发经过，他意外在垃圾筒中发现一个糖炒栗子的纸袋，他顺着这个线索找到栗子店附近的徽州酒楼。这正是陈彬探路的酒楼。丁战国从酒楼获得信息分析，确信保密局的接头地点就是徽州酒楼。陈彬带回来消息，徽州酒楼一切正常。
苦思一夜的李春秋对陈立业的身份还是无法确定，一大早，李春秋急忙来到奋斗小学，以给陈立业送感谢信的名义，探听陈立业的真实身份，并借机打听陈立业的过去，校长的解释并没有打消李春秋的疑惑，随后他偷偷潜入陈立业家，趁陈立业老婆出门买菜的工夫，将陈立业家仔细搜查一遍，墙上的一张活动表，让李春秋震惊，这个猥琐的老师竟然跟踪他有十年之久，李春秋极度恐惧，突然，门外传来脚步声，李春秋夺窗而逃，顺手带走了钱和一只怀表。陈立业的真实身份究竟是共产党还是国民党。李春秋百思不得其解，他必须赶到魏一平家，将目前的险境尽快告诉魏一平，潜伏已经无法继续了。酒楼里丁战国正在抓紧布置最后的围控，一张大网已经全面展开，就等魏一平前来自投罗网。魏一平家门口，魏一平带着陈彬急匆匆的赴约，与刚刚赶到的李春秋擦身而过，李春秋不知道发生了什么，紧随其后。魏一平和陈彬来到徽州酒楼附近，换车前行，这一招被李春秋看的真真切切，李春秋意识到魏一平一定有大事发生。李春秋谨慎追随，他在路边突然发现周围都是布控的公安局侦查员。
魏一平、陈彬在酒楼等候来接头的土匪杨文堂，而在隔壁监听的丁战国已经把他们的对话全部录了下来。李春秋在徽州酒楼外十分焦急，他必须想办法通知里面的魏一平、陈彬，酒楼周围到处都是侦查员，他无从下手，一辆拉满了白菜的马车从他身边路过，心生一计，喊来一卖报的儿童，路边的瞎子也成为他的棋子。杨文堂带着手下前来和魏一平会合，丁战国在监听器里仔细辨别他们的身份，路边的瞎子在酒楼外大喊了一句话：北平来的赵秉义，听到这句话的魏一平立马意识到情况不妙，马上带人撤离，丁战国下令立刻行动，双方展开激烈的枪战，魏一平等人被逼进阁楼的小道。阁楼里，陈彬勘探过的撤退小道被丁战国已经提前堵死，大家走投无路，杨文堂对魏一平产生怀疑，魏一平和杨文堂发生内讧。丁战国带人已经将阁楼团团围住，眼看魏一平和陈彬就要束手就擒，陈彬开窗眺望，突然发现窗下有一辆堆满了白菜的马车，陈彬眼前一亮，和魏一平跳窗逃脱。
躲过一劫的李春秋抽空来到医院，赵冬梅已经独自离开医院，陈立业的身份问题必须尽快让魏一平知道，一个老师竟然跟踪李春秋十年，魏一平要干掉陈立业，李春秋考虑到自身的安全，希望魏一平暂时放过陈立业。魏一平同意李春秋的建议，同时要求李春秋必须远离陈立业，最好的办法是与姚兰离婚，重新与一个自己人结婚，这是黑虎计划的需要，也是对自身安全的保障，李春秋对此很反感，魏一平又拿出李春秋家人做要挟，李春秋无可奈何，他此时想到的是那个可怜的赵冬梅，如果能和她结婚，也许能让自己的良心有一些安慰。李春秋来到赵冬梅家，空无一人，他又来到俱乐部，赵冬梅打扮艳丽，面前堆满酒瓶，醉酒的赵冬梅欲到俱乐部经理家过夜，李春秋看到这一幕后心疼不已，要带她回家，赵冬梅挣脱他，绝望痛苦，希望李春秋不要再来打扰自己，祈求李春秋放过她。李春秋无奈只得离开。陈彬奉命来参加应天教活动，藏在人群中的丁战国仔细辨认人群中八字步，一个戴窦尔顿面具的人出现在他眼前，他紧随其后，确认陈彬的“外八脚”，他悄悄往酒里参入狗粮粉末，不经意间倒在陈彬身上。
