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改编自茅盾文学奖获奖者麦家的三部曲（《解密》《暗算》《风声》）中的同名小说。上世纪40年代，中美局势风起云涌，破译敌方通讯密码关系重大。容金珍（刘昊然 饰）自幼展现出惊人的数学天赋和“释梦能力”，被时任大学校长的小黎黎（吴彦祖 饰）和太太叶筱凝（俞飞鸿 饰）抚养长大。大学入学之际，容金珍因解出数学系老师希伊斯（约翰·库萨克 饰）的难题引人注目，701局局长郑某（陈道明 饰）带他走进了神秘组织开启一段不为人知的故事……
新中国建国初期，我党的国防建设也正处于摇篮时期。身负重任的701研究院遇上了前所未有的难题，敌特份子使用的那套代号紫密的高级密码，给我国国防建设造成了重大破坏，可他们对敌特份子的情况却是一无所知。破译处的人员不遗余力，可始终没有进展。在一次保护行动中，行动处所护卫的知名物理学家乔正义博士，在到达安远火车站时遭遇敌特份子的暗杀。韩在兴处长在行动中英勇牺牲，另外有两名同志也当场丧命。这仅仅是紫密的可怕点之一，接二连三的打击让整个701陷入了愤怒和不安，破译处的刘一平科长更因迟迟不能破解紫密而陷入了癫狂状态。为了早日破解紫密，破译处处长郑当以残校招聘的名义来到他曾经就读的宁州大学，亲自面见了容校长，希望能在宁大里面挑选出真正的人才。郑当曾因战争而受伤，左腿不比右腿灵活，可他的脑子和性格却没有因他的伤而有什么变化。郑当性格沉稳，识人无数，这次，他带着一道数学题来到了宁大，要求所有来面试的学生做出这道题。由于他所提供的职位薪酬极高，吸引了许多学生前往应聘。可是，他连一眼都没有多看那些学生的试题，几个信心满满的数学系研究生也因此碰了壁。作为体育系的高材生，赵棋荣原本是没有机会看到那道数学题的，可是，他无意得知了这个消息，高薪吸引了他。于是，他带着一张试卷找到了他的朋友，外号大头虫的容金珍。容金珍在生活上和人际交往方面几乎是一个弱智者，可在数学计算上，他是绝无仅有的人才。
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知道了校长去世的消息容金珍十分伤心，整天把自己关在屋子里茶饭不思，老王心疼孩子亲自下厨炖了一只小鸡给他补充营养，老王端着鸡汤在金珍的房门外唠叨了半天没听到一声回应，终是不放心想推门进去看看，没想到容金珍像疯了一般地冲上来吼着要回家，老王让哨兵绑了金珍急忙赶往北院向安能求助，安能不忍心看着金珍悲痛欲绝的样子，答应他等明天自己执行完重要的任务后就带他回家参加校长的葬礼。翟莉写好遗书放进自己的专属箱子，她看到边上箱子上“安能”的名字，不由回忆起自己和安能的相识经过，那时自己参加学生游行发传单，被敌特分子瞄上差点丧命，是安能在危急关头救了她一命，而他则因此背上中了一枪。第二天一早容金珍在大门口拦住了安能的车，一定要安能先送他回宁州，他怕安能执行任务回来晚了就赶不上校长的追悼会了，而且他不给安能拒绝的机会，像个八爪鱼一样趴在汽车的引擎盖上，不答应他的条件坚决不下来。安能拗不过金珍只能让他上车，但让他必须答应在他们执行任务的时候乖乖地待在车上哪也不许去。Q小组成员来到宁州接收地点，小组成员的一举一动全落在暗处监视跟踪他们的敌特分子眼里，敌特分子全程都在找机会下手劫取电子管，碍于安能等人防守严密一直没有机会。回程路上安能对金珍说待他们安全回到701卸货后，他立即送金珍回校长家，一定能赶得及见校长最后一面。没想到容金珍在路上看到一批学生手持白花自发地前往宁州大学参加校长的追悼会，他再也控制不了自己的情感，也顾不上曾经答应安能的话，趁安能一个不留意打开车门跑了，安能急忙下车追去，一直尾随在后的敌特分子逮到了绝佳的动手机会，一番激烈的枪战之后计算机电子管被劫，技术员被枪杀，安能为保护翟莉手臂被弹片擦伤。翟莉将一切归咎于容金珍，她大骂容金珍是个扫把星，她说再这么下去安能早晚把命都得搭上。安能向闻讯赶来的雷婷请罪，雷婷称安能应该承担什么责任组织上调查以后自会处置，她让安能立刻收拾东西赶回701。安能向雷婷恳求戴罪立功的机会，等追回电子管，组织上给什么处分他都接受。翟莉将容金珍替安能炖的鸡汤砸了，呵斥容金珍从今天开始离安能远一点，否则她会见他一次打他一次。
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这次的电子管事件让容金珍再次认识到自己的无能，也让他内心对安能更加充满了愧疚。他特地煮了开水去给值夜班的安能，可是却不慎把水倒在了他的手背上。一旁的翟莉气急败坏地斥责金珍成事不足败事有余，要他回南院去发他的报纸。安能的反应与翟莉却截然相反，他先是让金珍重复倒水的动作，后是严肃地告诉金珍，他的数学天分是破解紫密的唯一希望，他应该自信，勇敢，而非每天畏缩不前，躲在南院收报纸。安能的一席话点醒了金珍，他清楚地认识到，自己必须做一个真正的男人。那天晚上，金珍反复倒了很多次水，虽然他的手很酸，肩膀很疼，内心高度紧张，但是他一滴水都没有洒出来。翌日，金珍被接回了701的南院。他开始更加认真地去解题，因为他知道，自己手中这几道计算题就是让701屡屡吃败仗的紫密，他非破不可。由于他每天都躲起来算题，引起了刘一平的注意。刘一平趁金珍不注意时，拿走了他的题，一眼就认出了这是把自己逼入绝境的紫密。再次陷入癫狂的刘一平高喊着紫密，主任老王担心他会泄密，连忙跑去北院把郑当叫来。见到郑当后，刘一平的情绪稳定了许多。他指着金珍，偷偷地告诉郑当，这小子很可能就是解开紫密的人。另一边，雷婷和安能带着Q小组的成员分工合作，日夜不分地搜索着敌特的踪迹。经过他们的努力，他们终于在霄云路附近发现了敌特出没的痕迹。雷婷和安能负责指挥，严实留守公安局，潘小云随车监听，翟莉、韩冰等四人负责查探和跟踪。幸运的是，他们果然在霄云路那里看见了照片上的那个敌特分子，他们给目标的代号是老鼠。虽然在确认目标时费了点劲，翟莉和韩冰都确认失败，但好在赵棋荣以借火为由与对方交谈，直接锁定了目标。翟莉一路跟着老鼠进入了一栋居民楼，差点就被察觉，所幸最后还是顺利地确定了他的住处。翟莉确认位置之后，韩冰上场安放了监控和监听设备。雷婷根据监听的内容判断，房间里的五个人就是抢走电子管的敌特。她命令对老鼠进行二十四小时的严密监控，由于翟莉和赵棋荣都在跟踪过程中不得已与老鼠有过近距离接触，监控的任务交给了韩冰、潘森和严实。这次，他们不仅要抢回电子管，还要把这伙敌特一网打尽。
经过多日的严密布控，Q小组终于监听倒了老鼠房内的外来电话。双方通话内容很简单，对方表示有生意上门，要老鼠等五人做好准备，两个小时后在第二棉纺厂行动。雷婷相信这个人就是电子管拦截行动的现场指挥，也就是在派出所安放炸弹的人，同时也应该是最接近紫密的人。她给这个人的代号是猎手，并要求出动的小组成员要活捉猎手。韩冰、赵棋荣等四人迅速到位，埋伏在目标地点的周围，老鼠等人也已经进入棉纺厂，在等着猎手的出现。不多时，老鼠又接到了猎手的电话，猎手用暗号与其交流，示意撤退。眼看抓捕行动就要功亏一篑，雷婷当机立断，让韩冰等人发动攻击。另外，她让派出所的同志追踪了打到棉纺厂的电话，得知所属为国庆旅馆，打电话是102房间的客人。雷婷猜测待在102房的人就是猎手，只是有突发情况，他不得不使用了旅馆的电话联系老鼠。于是，雷婷立即通知了安能，安能请求前往监控，得到批准后立刻动身。翟莉很想跟安能一起去，但却被留在车内，随时准备支援韩冰他们。棉纺厂内，一番激烈的枪战之后，老鼠的四个兄弟尽数身亡，他自己也被Q小组的成员们俘虏。到达国庆旅馆的安能本想借着服务员收拾房间的机会进入102房，没想到猎手警惕性极高，竟偷偷跳窗离开。安能紧跟而上，他曾有机会枪击对方，却想起雷婷曾下达的活捉命令，最后还是没有开枪。安能的注意力一直在前方的猎手身上，竟不慎被一名路人捅伤了腹部。失血过多的他当即倒在地上，强撑着一口气射出了一发子弹，而他失去意识前看到的，是因担心他而跑出来的翟莉。安能被送到医院进行紧急抢救，院里特地从总部调来了专家替他会诊。可情况并不乐观，医院已经下了病危通知书。翟莉自责不已，后悔没有跟着安能一起追踪猎手。一向以雷厉风行著称的雷婷都忍不住情绪失控，揪着医生的领子命令他救安能。高铁和郑当从701赶过来看望安能，安能仍能讲话，可他知道自己的时间不多了。如医生所说，安能的心脏在快速地衰竭，每多说一句话，他的生命就短一寸。安能平静地将自己看到的猎手的模样描述出来，并希望郑当能帮他先瞒着容金珍。同时，他留给金珍两句话，八八五和一五七，他想告诉金珍，他一直都在。最后，他提出想与翟莉说几句话。
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同事去向科长告状，科长正手捧着丈夫攒了两个月肉票给她包的爱心饺子准备享用呢，一听容金珍如此目中无人，于是决定先去找他谈话。容金珍闻到了酷爱的饺子的香味，科长想着他应该还没吃饭，于是让他先吃几个饺子垫垫肚子，没想到不通人情世故的容金珍一旦开吃哪里还停得下来，左一个右一个不多时就把一锅饺子全吃完了，把他们科长气得一句话也说不出来。破译处的同事集体到郑当那里告状，声称如果不把容金珍调走，他们的工作无法再开展。郑当认真考虑之后决定将容金珍搬到他的办公室工作，还吩咐自己的秘书负责容金珍的起居饮食。王大枣和棋疯子担心容金珍到了北院营养跟不上，这天炖了一锅鸡汤来到北院吵着要让容金珍出来喝鸡汤，郑当让人把鸡汤送进去给容金珍，但王大枣不同意，他必须看着容金珍当面喝下鸡汤才放心。郑当关心容金珍的算题进度，容金珍说自己得把破译处以前算过的题全部重新算过，因为他总觉得之前的计算思路是错的，而那些题是破译处几十名同事半年的计算题，靠容金珍一己之力得算到什么时候?郑当决定让容金珍去跟翟莉学习计算机的使用方法，利用计算机来提高计算效率。严实看着翟莉每天强装平静，却整宿整宿地睡不好觉心里特心疼，她担心翟莉真有一天会撑不下去，潘森觉得严实特别善良，他向严实提出结婚请求，严实被这突如其来的消息吓到了，潘森说他觉得安能和翟莉的事让他感悟到有什么想法就要尽早提出来，不要等到没有机会的时候再后悔。容金珍被巡逻的士兵发现深夜躲在计算机房研究，被抓了起来关禁闭。得到消息的王大枣和棋疯子拉着横幅来到北院门口示威，在得到保卫处已经释放容金珍的确切消息才算鸣金收兵。没想到容金珍还把禁闭室当成了宝地，求着郑当和保卫处李处长商量商量让他再待两天，他说那里清静学习效率高。敌特组织首脑“觉醒者”利用接头信物前往瑞祥布店召唤“飞龙”接受绝密任务，让他唤醒代号“梅花”的潜伏人员，“梅花”的身份是一名发报员，与他太太在宁州潜伏多年，等候被唤醒。并告诉“飞龙”待他把“梅花”唤醒后会有一名叫梁洪的商人前来联络，带他们前去领取发报机。郑当对翟莉说自己知道她不喜欢容金珍，但她必须教会容金珍使用计算机，计算机能帮容金珍节约多少计算的时间，就等于帮701节约多少破译“紫密”的时间，只有破译了“紫密”才能告慰安能的在天之灵。
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廖悦君把自己和包卫明之间的感情故事娓娓向两人道来，这时包卫明拿出一个铝饭盒，里面装着自己注射胰岛素的针筒，他告诉容金珍要想假扮自己第一课要学的就是如何注射胰岛素，容金珍拿起装着生理盐水的针筒怎么也无法向自己的肚子上扎去，翟莉抢过针筒嘴里说着这第一针由她来帮他打，说着手起针落，满屋子都充斥着容金珍的惨叫声。雷婷将全新的户口本交给廖悦君夫妇，从此他们就真的是王桂华和李志强了，他们将在成都开始新生活，他们的女儿早已在那儿等他们团聚。翟莉和容金珍的卧底生涯也从此开始，翟莉宣誓将不惜一切代价掩护容金珍接近“紫密”，关键时刻牺牲自我保护容金珍的安全。而容金珍则取出师娘交给他的给未来儿媳妇的镯子一定要翟莉戴上，因为走出701的大门之后他们就是俩夫妻了。容金珍和翟莉来到瑞祥布店成功以廖悦君和包卫明的身份与“飞龙”接头，“飞龙”陈江年告诉他们组织上这次唤醒他们就是为了重建宁州市的联络点，为了避免碍眼，几天前他已经把店里的伙计都辞退了，从今往后翟莉就是店里收账的，容金珍就是服务员。陈江年在饭桌上不停地试探两人，问他们知不知道701?知不知道发电厂爆炸的事?容金珍因为紧张说话颠三倒四，反倒令陈江年觉得眼前的“包卫明”高深莫测看不透。陈江年告诉两人这次唤醒他们就是为了让他们替组织继续收发“紫密”，容金珍一听“紫密”就来劲了，要让陈老板立刻把“紫密”交给他，幸亏翟莉及时补救才没露馅。入夜两人来到房间，容金珍将自己的铺盖搬到地板上打地铺，翟莉命令他睡到床上，容金珍却说翟莉的任何命令他都可以执行，唯独这个不行，因为他怕自己会忍不住尿床，翟莉被他闹得哭笑不得。这时响起了敲门声，陈江年一直对两人还心存疑虑，这是借故说要替他们加床被子，实则是来检查他们的破绽，他发现床上只放着一个枕头，又看到了地上的铺盖卷，要两人给个解释，说话间陈江年一手已经伸到背后准备拔枪了，剑拔弩张之际容金珍反倒冷静下来了，他向陈江年承认他们夫妻的确不在一起睡，因为他有花柳病，翟莉一听趁机拔出鸡毛掸子追着容金珍打，陈江年看着眼前的一幕解除了对两人的怀疑，一场危机终于在闹剧中渡过。“飞龙”看着容金珍一大早在庭院里干活，问他老婆在干嘛，容金珍急中生智称老婆还在睡觉，且不敢叫老婆起床，说是会被老婆骂死的，其实容金珍是在拖延时间让翟莉得以在房间里安装窃听装置。
翟莉的窃听装置安装成功，不远处关注着瑞祥旅店的雷婷等人已经可以听到他们的说话了。陈江年说容金珍此人看着老实其实很不老实，活该他得花柳病，说着将当年从日本慰安所搞来的治花柳病的特效药交给容金珍，让他一天抹八次，十天以后包他药到病除。但有一个要求必须把裤子脱了，当着他的面抹。一刹时容金珍真的不知道该怎么办了，纠结了半天他决定豁出去了，他让陈老板做好思想准备，不仅脏而且还有味，说着不停地挠着下身，然后冲到陈老板面前准备脱裤子，陈江年这下反倒慌神了，一手推开容金珍逃了出去，容金珍总算是又逃过一劫。店里来了一个商人模样的客人要住店，经过一番暗号对接证实来人正是带他们去领电台的梁洪，“飞龙”称自己有要事要和梁老板谈，让翟莉在下面照应着。陈江年看到梁洪十分激动，但梁洪相当谨慎，他在本子上写下“隔墙有耳，以笔代话”。突然雷婷那边的监听装置听不到任何声音了，她派出赵棋荣和韩冰到旅店用暗语告诉翟莉情况，翟莉让容金珍上楼查看，容金珍抱着热水瓶假装替老板倒水猛地冲进房间，一眼瞥见了桌上笔记本上赫然写着“货在和平饭店”，又看到了桌上的房间号码牌“202”，梁洪警惕地合上本子，陈江年将容金珍严厉地斥责了一顿。 保卫处在例行的信件检查中发现赵棋荣可能有问题，高铁立即致电雷婷让她立即采取补救措施，雷婷下令全体监视监听人员立即撤离，实施B方案。 陈江年和梁洪下楼吩咐翟莉关上店门，称今天不营业了，店堂里正坐着赵棋荣、韩冰，还有尾随他们到来的另两名不明身份之人，翟莉连忙将打探到的消息写在收据上将收据和找钱塞给赵棋荣并一个劲地向他们道歉，赵棋荣拎起箱子就要走，却发现韩冰的脚像被钉住了一般，正站在那里死死地盯着陈江年看，原来他认出来陈江年就是当年活埋母亲的罪魁祸首，现场的气氛顿时紧张起来，店里的另两名客人明显是梁洪的保镖，看着韩冰异样的态度都悄悄地拔出了枪，随时准备展开厮杀，终于韩冰被赵棋荣硬拖着出了旅店。一路上赵棋荣觉得韩冰不对劲，韩冰让赵棋荣不要管他，先去向雷处汇报情况，没想到回到联络点赵棋荣就被两管枪对着脑袋将他押到了雷婷面前，雷婷将他直接交给保卫处，赵棋荣面对变故丈二和尚摸不着脑袋。韩冰晕厥在大街上，被701同仁救回送往医院。赵棋荣带回的消息经严实破译出来，翟莉告诉他们货在和平饭店202号房间。
容金珍被陈江年等人单独带到和平饭店提取电台，第一次离开翟莉执行任务，容金珍的内心十分紧张不安。翟莉则被留在瑞祥旅店看店，翟莉借机到陈江年房间翻找，希望能找到有价值的东西。陈江年和梁洪把容金珍带到和平饭店二零二号房间等待另一接头人“老虎”的出现，701Q小组成员则在雷婷的布置下早已安插在和平饭店的各个岗位，严密监视着二零二号房间的一切动静。一名黑衣中等身材的男子拎着手提箱进入和平饭店，雷婷让手下千万不要打草惊蛇先让他们成功接头后再一网打尽。那男子进入二零二号房间后正确报出接头暗号，并说上级指定要让陈老板亲自打开箱子，但陈江年在打开箱子前发现箱子上一个特别的标记，突然脸色一变，他问“老虎”路上是否遇到过其他人，在得到否定的回答后，陈江年掏出枪就击毙了“老虎”。此时门外Q小组成员正准备采取行动，孟小云在监听装置中听到枪声，立即建议取消行动。陈江年的举动也惊动了外屋的同党，梁洪对他的行为不解，陈江年告诉他“老虎”有问题，果然打开箱子发现电台边上放着一个微型炸弹，陈江年亏得他的老奸巨猾才得以全身而退。701协同宁州公安局立即介入调查和平饭店爆炸一事，原来那个梁洪开房的信息全是假的，根本查不到他的底，倒是调查到送东西的那名男子的资料，说他是一名刑满刚释放的抢劫犯，此前与敌特组织并无任何关系。在现场取证时雷婷注意到了箱子上的那个标记，吴局长也觉得标记十分眼熟。无功而返的陈江年召集所有人开会，梁洪不明白今天的电台里为什么会有炸弹，陈江年告诉他这是觉醒者的意思，那箱子上的标记就是觉醒者让人留下的，意思是“行动暴露，立刻撤退”。他直觉旅店里出了内鬼，让内鬼即时现身他可以留对方全尸。翟莉突然大笑了起来，她说陈老板多虑了，如果真有内鬼，那瑞祥旅店还会在吗?早被公安进来端了，陈江年告诉她公安之所以没来，是因为他们想要的东西还没到手。雷婷同样意识到革命队伍队伍也出了内鬼，从今天的情况看敌特确实掌握了他们的行动消息。701保卫处的同志正对赵棋荣进行突击审问，他们让他解释为什么在家书里要对701的生活细节描述得如此详细?赵棋荣称自己这么写是为了哄母亲高兴，保卫处又让他解释巨额财产的来历，他称是向容金珍借的。 在701对赵棋荣进行审问的同时，陈江年也对旅店里的几个人挨个进行盘问希望找出内鬼所在。
陈江年了解到梁洪的两位保镖真名分别叫庄峰和钱鹏，一年前进的组织，他们组一共四人，按老大到老四排行，之前发电厂爆炸的任务就是他们执行的，老大和老四在爆炸中身亡。 赵棋荣在保卫员带进南院的采购员左明之后知道自己的事全暴露了，他交代说自己的确靠着倒腾零食赚了点小钱，小左外出采购时他都会给小左一张单子帮人采购赚取差价，利润两人平分。赵棋荣称自己也没赚多少钱，而且都已经寄回家了。钱鹏对陈江年说“廖悦君”和“包卫明”一定是内鬼，因为白天他们一走，那女的就去了陈老板的房间不知道干什么，陈江年一听赶紧回到房间打开床头柜里装密码本的木匣子，一看里面果然空空如也。轮到容金珍和翟莉接受盘问了，他们正在忐忑不知如何应对，陈江年却对他们说他已经知道内鬼是谁了，他拿手枪对准钱鹏的脑袋，他已经认定钱鹏就是内奸，因为钱鹏有不停磕瓜子的习惯，而陈江年恰巧就在装密码本的木匣子里发现了一颗瓜子仁。钱鹏当场和翟莉对撕起来，都称对方才是内奸，翟莉坦荡荡地将身上的口袋全部翻出来，外套脱下甩了又甩，确实没有密码本的踪迹；这下轮到钱鹏了，陈江年让梁洪动手，梁洪一伸手就摸到了钱鹏口袋里的密码本愣在当场，就连钱鹏自己也呆住了，但现在人证物证俱在，说什么都没用，庄峰一刀结果了钱鹏，称是为老大和老四报仇，当初执行发电厂爆炸任务时他就觉得有内鬼，而这一切其实都是翟莉的周密布署，她在为他们“夫妻”赢得陈江年的信任的同时除去了一个敌人。 陈江年当众宣布从钱鹏口袋里发现的那个密码本根本就是假的，那就是用来引出内鬼的诱饵，当晚他居然又在桌子底下发现了窃听器，容金珍就是从那一天开始不再恐惧，他很清楚他和翟莉接下来就是在和时间赛跑了，他们必须在暴露之前找到真正的密码本。保卫处去赵棋荣老乡调查后证实他的供词没有作假，但由于赵棋荣离开瑞祥旅店即和韩冰分开，那一段时间里他做了什么无人替他证明，韩冰又一直昏迷不醒，赵棋荣更是浑身是嘴也说不清楚。韩冰终于醒了，医生替他做了详细的检查认为并无任何生理上的病症，也没有被用过药物的迹象，医生判断应该是癔病的一种表现，原因不在生理，是心理问题。
