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。

重庆方面有一批绝密的档案抵达了上海。许少清和刘永强都需要得到这批绝密资料，两人在深夜里都潜入了军统的档案室，互相发现之后两人交火，却因为黑暗中谁也没有看到谁的样子，但是却都感觉到对方是谁。刘永强模仿黄哲的笔记写信给周良，说需要除掉一个军统的天才情报员许少清。周良接到任务后迅速开始布置，刘永强和周良说正好自己是许少清的同学，可以借助请他和章嘉雯来电台演奏的机会利用乐谱传递情报。

许少清和章嘉雯在演奏完乐曲离开电台时被一群不明身份的人袭击，章嘉雯腿部受伤，医院里，军统另外一位重要人物五公子让下属转告许少清，只要他把章嘉雯让给自己，就可以把去南京做情报专员的机会让给他，许少清答应了。章德安告诉许少清，他和五公子都是在利用相互的地位想要变得更加强大，所以五公子和章嘉雯的婚姻不过是一场交易而已。

章德安请来军统南京站的薛副站长协助调查军统内部的共产党员，薛站长提供了两个人的资料，认为这两个人就是我党安排在军统内部的情报人员。章德安暗中派人监视这两人的行动。辛晴去南京和潜伏在军统内部的8号以及9号秘密情报员接头，却亲眼目睹他们被军统的人抓走。许少清告诉辛晴，这一切都和章德安安排在六工委的内奸有关系，如果再不挖出这个内奸的话，我党地下工作的损失将会更大。

章德安故意安排每次见所谓的安排在共产党内部的内线都带上章嘉雯，许少清既觉得事情很蹊跷，又不便多打听。辛晴希望许少清能利用章嘉雯的关系打听出到底谁是这个所谓的“内线”，许少清开始留意章德安的日常行为，他发现，章德安在每天晚上八点钟，总是雷打不动收听一家商业电台的节目。而这家商业电台正是与章德安接头的人所去商业电台。

章德安刘永强会面谈话中，刘永强提到在商业电台附近见到了章德安的女婿立即引起了疑心重的章德安的注意。他又再次开始怀疑许少清，恰逢在南京站工作的任洪铭回上海工作，章德安安排他再次开始监视许少清。辛晴配合黄哲，终于人赃俱获，抓住了隐藏在组织内部的内线，这个人居然是电台台长的周良。原来周良是个叛徒，他在六年前的一次行动中被军统逮捕，为保住性命，他写下了悔过书。

黄哲和辛晴决定启用备用电台，可为了迷惑保密局侦察电台，设在商业电台的秘密电台不撤，继续用原来的呼号和密码，在原来的发报时间经由苏北的中转台向延安发报。刘永强制造了一系列周亮杀害老吴的假象，使得组织被蒙蔽，同时也获得了黄哲的进一步信任，他被升为电台的副台长。周良在逃跑的过程中被杀，刘永强认为自己彻底了洗清嫌疑。

章德安对保密局内进行了严查，他觉得周良出事，事出有由，保密局内可能有中共的内线。他派人对许少清秘密盯梢。当许少清和辛晴到达接头地点时，任洪铭急于抓许少清一个现行，他命令保密局的特工包围接头地点。许少清和辛晴两人通过联系点的地下室的秘道逃走。许少清被送去章德安处问话，对峙中许少清指出：任洪铭因暗恋章嘉雯，嫉妒许自己才会做许多为难他的小动作。

原来，任洪铭中了许少清和辛晴下的一个套。和任洪铭经常约会的神秘女郎是辛晴花钱请去的一名舞女，准备在许少清受怀疑时，栽赃任洪铭，给许少清解除危险。这一招果然管用。章嘉雯怀孕了，章德安十分高兴。可章嘉雯怀孕的事，沉重打击了辛晴。淮海战役结束，蒋军元气大伤，日薄西山。局面紧张，军统总部欲杀人立威，派南京的薛站长来找章德安质问，希望章德安提供屡次任务失误的责任者。

任洪铭孤注一掷，反击章德安，控制军统上海站，并将章德安扣押。章嘉雯冒死冲入任洪铭控制下的军统上海站，在地牢内面见父亲和丈夫。章德安面临生死抉择，要章嘉雯根据他的指点，盗出“江防计划”副本，提供我方，换取地下党设法营救他出狱。章嘉雯领命。面对章嘉雯送上门来的“江防计划”，地下党领导人黄哲采取了冷静旁观的策略，章嘉雯眼见救父无望，独自杀入军统局，欲以一死圆子女之责。

黄哲领导上海地下党组织营救章德安，却不料这一切都是章德安安排任洪铭不惜牺牲女儿演出的苦肉计，参与营救的同志陷入敌人陷阱，损失惨重。章德安欲将跟随任洪铭反叛的特工一网打尽，借机清洗上海站内部。屡屡被利用的任洪铭，这次利用众人被激起的反心，当真摆脱了章德安的摆布，擒获章德安。刘永强适时出现，救下了章德安，杀死任洪铭。

章嘉雯从军统上海站救出再次被敌人抓获的许少清。马柏年牺牲时章嘉雯在场，并拿走了马柏年留下的关键情报。此时她决定支持许少清，把情报交给许少清。许少清终于知道刘永强正是奸细。许少清找到辛晴，得知刘永强正前往和66号接头，许少清在千钧一发之际和刘永强展开搏斗，及时阻止了66号的暴露，并获得了他送来的“江防计划”。

黄哲等同志被俘牺牲。章德安生前制定的特务潜伏计划启动，“三和”的学员们纷纷开始执行潜伏任务。失去了单线联系的上级辛晴，许少清无法证明自己的身份，但仍然独自战斗在敌后，在我军发起上海战役的重大时刻，为部队提供了重要情报。辛晴在大华电影院的一份材料使得许少清的身份最终被党组织确认。