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建国之初，古老的中华大地一派喜气，然而欢愉的背后仍有冰冷的暗流涌动。在四川省渝州，曾经称霸一时的土匪头子白敬斋被人民政府正法，而他曾居住过的老宅闹鬼的传闻则越传越凶。龙飞十一名来自北京的青年，他在渝州当地档案馆做文员，而档案馆的宿舍正是征用自白敬斋的老宅。由于所有人都怕鬼，因此龙飞只得一个人住进宿舍，却接连遭遇多起奇怪灵异的事件。不久，档案馆发生一起命案，刑警队长肖克由此入驻档案馆调查。在这一过程中，肖克和龙飞不仅感知到自己身上的异样，更偶然知晓了一个名为“梅花党”的特务组织的秘密…… 本片由张宝瑞的长篇小说《梅花党》改编。
农村姑娘白小梅带着一张神秘的梅花图离家出走，由于心脏病住进了新昌医院，并在赌气之下签下了器官捐赠同意书。她的主治医生正是新昌医院最年青有为的外科医生郑天继，而郑天继的女朋友——家世显赫的叶珊珊也患有严重的心脏病。出身医学世家的吴江川，是医院公认的天之骄子。他的妻子刘白则是著名的舞蹈家。医院里，被白小梅视若珍宝的梅花图却突然不翼而飞。
白小梅一心期盼着病好后与心上人团聚，而对于她那个从未露过面的神秘男友，一直爱着她的刘天亮十分担心。刘白排练时受伤住院，吴江川忧心忡忡，而此时的郑天继则在一首云南歌谣的指引下来到了白小梅的面前。
白小梅毫不犹豫地接受了郑天继提出的风险很大的手术方案。刘白急需移植眼角膜，而此时白小梅的病情却突然恶化。手术室里，本来一切顺利的手术突然出现意外，白小梅最终死在了手术台上。
手术失败让郑天继一蹶不振。认定手术是医疗事故的刘天亮大闹医院，医院因此展开调查，使郑天继备感压力。而此时被确诊为眼角膜受损的刘白恰好移植了白小梅的眼角膜。手术后的刘白不知为何，耳边总是反复响起奇怪的声音，让她惶恐不安。
郑天继被无处不在的幻象所折磨，精神崩溃的他来到太平间，终于在白小梅尸体前痛哭着向她忏悔并请求原谅。此时在他身后，一双眼睛正目不转睛地看着他。而此时刘白的行为越来越奇怪，她在深夜里毫无意识地走出病房，醒来时却发现自己躺在太平间阴冷的地上。
老师方永全为了让郑天继摆脱手术失败的阴影，力荐他重回手术台。然而郑天继却在手术一切准备就绪时临阵退缩。而此时已出院回家的刘白梦游症益发严重，种种怪异的行为让吴江川感到恐惧和担忧。
郑天继始终摆脱不了手术失败的阴影，绝望的他只能对着电脑录音说出了心中对白小梅的怨恨，也说出了他藏在心底的秘密。他向叶珊珊讲起了自己的童年往事，并努力再次取得了院长的信任而重回了手术台。正当大家为手术成功而庆祝的时候，一场火灾却突然降临。
在火灾应急工作中，郑天继表现突出，相比之下吴江川的表现则不尽人意。刘白无意间发现了白小梅日记本，好奇心驱使她翻开了白小梅的过去。她得知自己移植的居然就是白小梅的眼角膜，好奇心让她匆匆闯进了郑天继的办公室。
医院要竞选医务副院长，吴江川和郑天继都是热门人选。虽然在应急小组中吴江川抢了头功，但内心愤愤不平的郑天继决定和吴江川展开一场明争暗斗。刘白因为受伤失去了领舞的位置，一心沉浸在白小梅的故事中的她，行为越来越古怪。
刘白不顾吴江川的反对跟随刘天亮来到了白小梅的老家并和白婆婆住在了一起。透过白小梅留给她的眼角膜，刘白竟然一点点“看”到了白小梅过去，更“看”到了白小梅和她一直深爱着的神秘男朋友——葱头之间的故事。
刘白急切地四处打听葱头的消息却一无所获。而此时念儿心切的父母从乡下专程来看望郑天继，却因为在叶珊珊父母面前出丑而让郑天继倍觉丢脸。叶珊珊对他很是失望。对于郑天继的求婚，她犹豫不决。
就在刘白准备放弃的时候，却意外听到了一个熟悉的名字。医院在刘白和白婆婆的要求下开始调查白小梅的手术责任。而此时郑天继却在私下里找到了白婆婆。白婆婆坚决要追查小梅的死因，而叶珊珊却毫不犹豫地接受了郑天继的解释，表示完全相信他。同时吴江川出任调查小组组长令郑天继感到忐忑不安。
刘白的反常举动让吴江川十分担心。而一直对郑天继有偏见的李宾加入了调查小组，让郑天继异常暴躁。他决定和叶珊珊旅游散心，趁机再次向叶珊珊求婚。对感情感到困惑的叶珊珊决定听天由命，用两张抽奖券来决定他们的缘分和婚事。
白婆婆向刘白讲述了梅花图的传说，原来它凝聚了一位古代公主和文身师凄美爱情的诅咒。而此时郑天继则以吴江川在给刘白移植眼角膜时以权谋私的证据威胁吴江川尽快结束对手术的调查。吴江川不想受制于郑天继，苦苦思考对策。
白婆婆无法接受调查结果，在与郑天继理论时被迎面而来的汽车撞倒，当场身亡。而此时太平间负责人臧伟旭将一张光盘寄给了方永权，光盘的内容让方永全惊讶万分。被白婆婆的死所刺激的刘白，却精神恍惚地一个人来到了白家老屋。
刘白带着一身娇艳的梅花文身来到了郑天继的办公室，把郑天继吓得魂不附体。而医院里的风言风语则让吴江川和郑天继的矛盾更深。深夜，刚回到家的郑天继被人从背后抱住，误以为是叶珊珊的他，转身看到的却是刚出浴的刘白。
刘白从臧伟旭那里知道了梅花图的真正寓意，完全变了一个人的她对郑天继纠缠不休。面对刘白对郑天继投怀送抱和对自己的冷漠，无计可施的吴江川只好借酒浇愁，无心竞选。郑天继则把握机会，赢得了越来越多人的支持。投票在众人焦急的期待中开始了。
郑天继得知白小梅的日记本在刘白手上，不得已用甜言蜜语先稳住刘白。竞选的第一轮投票中吴江川暂时领先。表面上对此事毫不在意的郑天继却在暗地里拉拢一向不和的李宾。而此时的吴江川却正在四处寻找着离家出走的刘白的下落。
郑天继千方百计地找出日记本付之一炬。刘白终于明白郑天继一直在欺骗自己，伤心欲绝，被正好赶来找她的吴江川带回了家。自以为摆脱了刘白纠缠的郑天继专心竞选而忽略了叶珊珊，此时一个叫洪尚的年轻人的出现，引起了叶珊珊的注意。
在竞选中郑天继的野心渐渐暴露，方永全对他十分失望。刘白在白小梅的家里发现了一纸受益人竟然是郑天继的保险单，并以此威胁郑天继取消和叶珊珊的婚礼。她开始主动接近叶珊珊，深夜，被叶珊珊收留在家的刘白一步一步走近了熟睡中的叶珊珊……
