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上世纪二十年代，警察局局长林傲东被枪杀，养女林九歌（鞠婧祎 饰）被指认为凶手，含冤入狱。九歌在狱中生存艰难，一方面要与形形色色的女犯人周旋，在与她们的博弈中成长；另一方面，还要应对伸入监狱的黑手，在如影随形的死亡威胁下，与时间赛跑，越狱，洗冤。而自九歌入狱后，警察龙天羽（炎亚纶 饰）一直调查真相。最终，九歌靠着自己的智慧与手腕，在龙天羽与萧临风这一警一匪，却同时深爱她的男人的帮助下，摆脱了自由的枷锁，不仅成功为父亲和自己洗冤，更端掉盘踞上沽多年的黑暗势力，铸造了一段上世纪二十年代的女性传奇。
九歌走在街头，回忆起父亲林傲东为了抚养她，甚至终身未娶，她的心中突然涌动着满腔歉意，她立刻转身跑向家中，想要对父亲说声“对不起”。然而，这个雷雨交加的夜晚，林家突然响起的一声枪响，让九歌与他的父亲从此阴阳两隔。在书房里，九歌看见父亲倒在地上，身下一地的血，而她也突然被人砸晕。再次醒来时，林九歌发现龙天羽持枪正对着自己，父亲林傲东倒在身旁，而自己手中正握着一把枪。九歌问龙天羽，到底是谁杀了父亲，却不想龙天羽将一副手铐铐在了她的手腕上。
庭审当天，有新的证人出现。萧临风站在了证人席，说在林家花盆下发现的脚印是自己的，他说林傲东死的那夜案发前一个小时，萧临风曾到林家行窃。检控官随即提交了当年林九歌的收养证明，同时要求冷念之出庭作证，因为事发当日，她也曾到过林家，而且听到了林家父女的争吵。林九歌的身世之谜终于暴露于公众。原来多年前，林傲东曾亲手抓捕过一个罪犯，后来这名罪犯因为不堪忍受狱中的痛苦绝望自杀。他死后，林傲东收养了他的女儿，也就是九歌。但最讽刺的是，此案后来被发现是件冤案。法官最后一次问九歌认不认罪，九歌当着众人面，做了最后申诉，最终，法官还是判九歌故意杀人罪成立，判处死刑，一个月后执行。
九歌一次次地被青雕及其同伙所伤害，看着九歌浑身伤痕累累，念之把九歌受伤的事报告了监狱长，青雕等人受到处罚。然而，念之的好心却违背了监狱的生存之道，告密者会成为所有囚犯的敌人。九歌在洗衣间工作时，被青雕拖到水龙头底下猛灌冷水，就在这时，凤姐出手阻止了青雕，并警告她不要弄出人命来。九歌向凤姐致谢，凤姐说监狱里出了人命，谁也脱不了干系，她是怕青雕影响她出狱，她从来没有想过帮九歌。而九歌也终于得知青雕为何始终与她为敌的真正原因，原来青雕被林傲东亲手抓进来判了二十年的重刑。为此，青雕发誓要父债女还。
湘湘在龙天羽面前替九歌惋惜，说如果自己是九歌，肯定就一死了之了。湘湘的话点醒了龙天羽，他连夜赶到女子监狱，要求必须见到九歌。狱警无奈，只得将牢门打开。龙天羽的猜测被证实，心灰意冷的九歌还是割腕自杀了。九歌被送到医务室时，只有一息尚存。冷念之得知后，火速赶往监狱，终于从死神的手中将九歌抢救了回来。九歌在昏迷中抓着龙天羽的手连呼“爸爸”，龙天羽在情感的天平上开始向九歌倾斜，他相信九歌的无辜。龙天羽与典狱长唐德宗曾是警校同窗，龙天羽提醒唐德宗好好“看管”自己的犯人，唐德宗答应整顿监狱风气，只是龙天羽一向为人冷淡，此番举动还是让唐德宗在心里略感诧异。
龙天羽取出一枚子弹，告诉九歌这就是射入林傲东心脏中的那枚子弹，他问九歌难道不想知道杀死父亲，冤枉自己的真凶是谁。这样死去，她真的甘心吗。这几天，他翻阅了九歌亲生父亲当年的案宗，发现九歌的亲生父亲同样是被冤入狱，同样是在狱中自杀。可当时，只要他再多等一天，林傲东就能拿到证明他无罪的证据，是他自己放弃了。他问九歌难道真的要重蹈覆辙。九歌的斗志被一点点点燃了。龙天羽告诉九歌他会尽全力调查此事，也会定时来狱中跟她见面说明进展，而九歌要做的，是设法在狱中活下去，给他时间，也给她自己时间。
警局，龙天羽通过抓走沙爷拍到一些照片，照片里一个小贼的意外出现给了龙天羽重要线索，小贼说，林傲东被杀那夜，萧临风和他在租界区一大使家里切磋偷盗的功夫。也就是说，案发时萧临风根本不可能出现在林家。龙天羽苦苦追寻的“案件疑点”终于出现了。龙天羽立刻将情况上报，同时让冯道广签署通缉令全城搜捕萧临风。毛九看见通缉令，问萧临风怎么办。萧临风问起外面情况，毛九说追他的警察越来越多，黑道的人也越来越多，城门封锁，还有记者湘湘三天两头寻他。
湘湘采访九歌，当得知是龙天羽的妹妹时，九歌心理上信赖不少。她从湘湘处得知龙天羽这段时间夜以继日地寻找证据，九歌心中平生一丝感动。虽然九歌意识到这可能是自己最后一次公开开口的机会，但她努力平静着纷繁的思绪，将自己的经历向湘湘娓娓道来。湘湘白天采访九歌，晚上整理录音、撰写文稿，萧临风成了她的第一个读者。通过湘湘的讲述，九歌在萧临风的心里，一点点熟悉鲜活起来。湘湘的古怪引起龙天羽的怀疑，龙天羽几乎就要发现萧临风的存在，却被及时赶回的湘湘掩饰过去。
龙天羽通过九歌提供的线索，很快从那一叠照片里面找到了嫌疑对象。于是，龙天羽调集人马，开始在赌场内部及周围进行蹲点。 经过两个日夜的蹲守，功夫不负有心人，龙天羽发现凶手终于出现在了赌场。当他闯进沙爷办公室时，发现凶手已经逃脱，龙天羽与警员大宝随即向凶手追踪而去，并与凶手展开殊死搏斗，杀手出手狠辣，招招致命，龙天羽虽拼尽全力，但身负重伤，警员大宝牺牲，杀手最终逃脱。悲痛之下，龙天羽再次回到沙爷办公室，要他说出凶手身份。 冯局长批评龙天羽行事冲动，要解除龙天羽队长职务。众警察哀悼大宝，龙天羽接到念之电话，得知九歌要见他。
龙天羽混进了戒备森严的光明制碱厂，惊险中偶遇萧临风。萧临风解释说，那晚余大莽冲进龙家地窖想杀他，他幸而逃脱，后来本想去警局自首，却发现毛九和毛凤被抓。昨天，他又在赌场附近看见了余大莽和龙天羽打架，光明制碱厂后来便一路跟踪余大莽到了光明制碱厂。两人达成同盟，先去寻找毛九父女。制碱厂的杂物间里，两人终于找到毛九毛凤，但却惊动了制碱厂的打手和余大莽。混乱中，毛九为救萧临风，被打手开枪打中。龙天羽奋力一搏，终于将余大莽抓获。
九歌的车子正要驶出监狱，尖锐的哨声响起，囚车被拦了下来。典狱长说自己的女儿嘟嘟不见了，他怀疑嘟嘟也许是跟着野猫，走进了下水道。危急时刻，九歌主动提出进入下水道营救出了嘟嘟。看着九歌的狼狈模样，典狱长深受感动，想以重大立功表现为九歌申请终止死刑。但此时青雕突然站了出来，说她曾看见九歌教唆嘟嘟，要她跟着野猫钻进下水道，这一切都是九歌预先计划好的。典狱长不禁怀疑九歌是在利用嘟嘟为自己争取减刑的机会。九歌被再次押上囚车驶向刑场。
龙天羽做光明制碱厂的结案报告，发现光明制碱厂的户头上有笔巨款，是在余大莽被抓当日，转入了租界银行。龙天羽赶到银行，要求将巨款冻结，但银行工作人员拒不配合。冷立威恰巧在银行办事，出面替龙天羽担保，终使银行答应在接到警方的正式手续前，可以将巨款冻结到中午12点。还有半个小时，龙天羽打电话回警局，催促冯道广务必带着所有资料在中午12点前赶到。冯道广带着资料赶到银行，说警车没油了，为了不耽误时间，自己只有跑着过来但还是迟了五分钟，钱已被转往国外。制碱厂这条线索彻底断了。
监狱女子浴室中，留在最后的九歌丝毫没有意识到危险的临近。一双男人的脚踩在浴室门口，他推开了门悄然潜入浴室。这时，九歌刚换好衣服头发湿漉漉地转身向外，突然撞到了喝醉了酒的狱警张三。见到美人出浴，张三的眼睛更红了。而在浴室外，青雕锁上了门，这一切都是她设计好的。浴室里，张三捂住了九歌的嘴巴，意欲实施不轨。就在此时，小白菜从角落里冲出来，她从背后将毛巾套在张三脖颈上，发疯似的勒住了他。九歌震惊，平时看似懦弱的小白菜竟然会这样。就在两人以为张三已死之时，张三却从地上站起，向两人走来，两人惊慌不已，张三却踩中了肥皂，摔倒在地，气绝身亡。
冯道广回忆说林傲东生前的确在调查一件大案，这个案子部署了三年，当时已经到了收网阶段。因为是高度机密，即使身为副局长，他也不知道。但他知道除了林傲东，还有个卧底在帮他查这个案子。通过冯道广的形容，龙天羽猛然察觉，这个卧底正是九歌行刑当日的“送信人”。林傲东的前秘书带龙天羽去检查林傲东的遗物，看到钢笔，秘书突然想起，林傲东死亡当日，曾想签署一份逮捕令，后来因为林九歌被当作小偷抓入警局，才打断了逮捕令的颁发。龙天羽听到此处，猛然醒悟，逮捕令上的那个人才是杀害林傲东的幕后真凶。
上世纪二十年代，警察局局长林傲东被枪杀，养女林九歌被指认为凶手，含冤入狱。九歌在狱中艰难求生，既要周旋于监狱中的各方势力，又要对抗从监狱外不断伸进的幕后黑手。自九歌入狱后，警察龙天羽一直调查真相，发现杀害林傲东的真凶乃是上沽位高权重的海关监督冷世南，并且查明冷世南操纵着上沽的毒品交易，危害一方。最终，九歌联合龙天羽等人，对冷世南等人进行了公正的审判。
龙天羽在九歌病床边守了很久，九歌苏醒后，两人相对无言，却情愫涌动。当龙天羽问起九歌在监狱中的处境时，九歌反而安抚龙天羽说自己已经不是从前的林九歌，再说监狱里还有萧临风帮她。说话间，九歌的鬓角有耳发垂落，龙天羽伸手替她挽起，念之推门进来，察觉两人异样。典狱长带青雕三人进来让九歌指认，可是九歌却因证据不足，放弃了指认。龙天羽在监狱门口等待念之，问九歌的身体情况，念之问龙天羽为什么对九歌这么关心。龙天羽被这么一问，才发现九歌在自己心中已有很重的分量。龙天羽不便在念之面前表露，只能以恩师惨死、九歌无辜，为了查明真相为由化解过去。
九歌请凤姐做裁判。输了，她把命给青雕；赢了，青雕从今往后不再找麻烦。青雕觉得这是顺理成章除掉九歌的大好机会，遂应了九歌的赌局。赌黑羽当天，青雕对着九歌拳脚相向，招招致命，九歌一时不敌，处于下风。但九歌毕竟有过正规拳击的底子，再加上个性沉稳，及凤姐传授的应敌技巧，虽处下风，但始终没有落败。青雕暗中使诈，却被九歌一一识破，一番激烈的对决后，九歌反而将青雕压制，在关键的一招里，九歌突然发力，制服了青雕。在场的女囚也被九歌的气势震动。
在九歌的悉心呵护下，嘟嘟的自闭倾向有了明显好转。龙天羽也不时来教嘟嘟绘画，和九歌有了在监狱外独处的机会。两人的感情在接触中不断升温。 龙天羽带着那只钢笔钥匙去了林家，试了大大小小的柜子抽屉，仍旧毫无进展。离开时，龙天羽发现除了自己，还有人躲在林家，他追出去，那人已经跑了。龙天羽从直觉上判断，认为藏在林家仓库的这个人，就是之前的“送信人”。龙天羽在仓库里发现了“送信人”吃的安眠药，他通过安眠药查到了一家医院，医生告诉他，的确有个五十岁的男人每隔上一段时间就会来开上一些安眠药。而这种安眠药，上沽只有他们医院能开。
龙天羽来到监狱，死者的身份很快被确定，正是之前无故旷工的狱警张三。通过狱警们的口供，龙天羽判断，张三是在离开监狱后遇害的。但是，小白菜听说张三尸体被发现后，显得魂不守舍，这让青雕起疑。青雕联系到当晚的种种，觉得张三的死颇为蹊跷，她向龙天羽举报了九歌和小白菜。龙天羽提审九歌，九歌一口咬定那晚自己并没有见过张三，龙天羽拿出他在尸体上发现的东西——那条子弹项链，这是龙天羽送给九歌的那枚从父亲身上取下来的子弹。九歌内心波涛起伏，但表面上却故作平静，不管龙天羽怎么问她，她只有一句话，自己也不知道为什么。
龙天羽痛苦地来到林傲东坟前，一向滴酒不沾的他破天荒地喝了酒，他嘲讽自己居然会以感情作为证据。突然，龙天羽发现林傲东坟前刚被祭奠过，猛然联想起“送信人”可能来过。 龙天羽接到医生的电话，神秘的“送信人”出现了。龙天羽赶到医院时送信人已经离开。茫茫人海中，龙天羽凭直觉寻找着“送信人”。他一只手搭在一个男人的肩头，男人回头，眼神刚一接触，龙天羽就知道是他。“送信人”甩开龙天羽的手，在人群中逃跑，龙天羽紧追不舍，“送信人”冲过马路，一辆汽车开过来，把紧随其后的龙天羽撞飞出去。
龙天羽带着“送信人”的肖像画让九歌辨认。九歌一看画便惊呆了，因为画中人不是别人，正是她的亲生父亲关泊君。然而，当龙天羽问九歌是否认识时，九歌竟矢口否认。龙天羽觉出了九歌的异样，却未曾细究，他告诉九歌，决定回到林局长被杀案的起点调查。为什么亲生父亲还在世。为什么养父要一直瞒着自己。亲生父亲到底跟林傲东的案子有什么关系。九歌有太多的疑问。九歌跳下床，摇醒青雕和小白菜，说她想好了，要一起越狱。
