1940年，年轻的医生唐承昌向金南植介绍了自己的女友沈璇青。善良的日本人石田太郎对1644部队拿中国人做实验这种残忍做法不满。1644部队的负责人川本四郎得知已经有人在注意他们的秘密行动。

上海地下党方面获悉“虎烈拉”即霍乱病，将揭开这个秘密的重大任务交给了地下情报人员沈璇青。石田太郎因为背叛日军被处死。唐承昌无法说服女友跟自己一起离开上海。这边，川本四郎指挥日军在浙江省衢县投放“虎烈拉”。

川本四郎得知衢县爆发疾病狂喜。我地下情报组织查明川本四郎便是制造细菌战的罪魁祸首，秘密下令消灭川本四郎。

川本四郎躲过我方攻击。日本人对中国实施细菌战的消息像炸弹一样传开来，引起各方高度注意。我方得知偷袭川本四郎的行动失败，负责人老方布置沈璇青继续获取情报。

沈璇青受命拜访“干娘”，即上海闻人黄英侯的爱妾。黄英候得知被捕的杨正刚有可能会把自己供出来。日军开始怀疑川本四郎的弟弟平野有背叛日本的行为。

美国地下情报人员肯特被日军逮捕并打伤。金南植仇恨日本人，与平野发生冲突。日军用非常严酷的手段审讯肯特。沈璇青将肯特被捕的消息透露给谢尔盖。

金南植为了营救肯特绑架了平野。日军同意交换人质。沈璇青为此事担心，认为金南植想得太简单。

日军诈取平野，肯特没有获救。川本四郎决定将肯特用作“原木”，让铃木教授为他注射“虎烈拉”病毒。沈璇青告诉谢尔盖，如果肯特是间谍，那么营救将非常困难，谢没有承认肯特的真实身份。

肯特感染病毒之后，病状比一般“原木”要轻，这个情况引起了铃木教授的关注，铃木告诉肯特自己将想办法帮他逃走。沈璇青告诉谢尔顿，一个名叫依萍的女人可能会知道肯特的下落。

交际花依萍告诉谢尔顿，肯特已经被处死。实际上肯特已经带着铃木的日记本逃出了1644部队。沈璇青报告老方，平野没有向日本特务机关头目松井告发是金南植绑架了他。1644部队发现肯特逃走，气氛相当紧张。

肯特投奔一位小镇上的陌生老太太。而这位老太太就是各方抗日力量聚集的“金蟹酒吧”老板张石先的母亲。谢尔顿从沈璇青处得知肯特还活着的消息，十分惊讶。而唐承昌得知消息急忙赶去告诉金南植。

平野跟踪了前去找金南植的唐承昌，三个人终于达成谅解。依萍监视谢尔顿等的行为被沈璇青发现，她设计向谢等人发出警报。沈璇青机警地结果了向日军发送情报的特务。

逃回来的肯特见到了自己的恋人娜塔莎，然后肯特找到谢尔顿，将铃木教授的日记本交给他，让他转交给平野。

平野见到筋疲力尽的肯特，并且看到了铃木的日记本，他得知自己敬爱的老师铃木在哥哥川本四郎逼迫之下研制细菌武器大为惊讶，肯特要求平野从自己身上取得实验标本。肯特牺牲后，平野等含泪在他身上搜集各种标本。松井等发现肯特尸体。

川本四郎将肯特的尸体带回，认为这证明“虎烈拉”是成功的。平野他们的实验结果是，肯特身上是一种烈性很强的“虎烈拉”病毒，平野愤怒地要去找哥哥，被劝阻。娜塔莎被捕自杀。

谢尔顿见到松井，松井的话透露出日本人已经盯上他了，谢茫然无措。为了取得他们的信任，谢交出肯特的一些间谍器材。

川本四郎发现在他之前已经有人检验过肯特的尸体，下令一定要找出这个危险的敌人。川本四郎怀疑平野是日本国的叛徒。沈璇青将他们的紧张情况报告老方。谢尔顿刺杀川本四郎未能成功。

我方人员分析现在日军会把矛头指向平野，想出办法保护平野。经授意，平野装作被人追杀，找到川本四郎，称自己因为不肯交出铃木教授的日记才有如此下场。

川本四郎相信了平野的话，决定把弟弟带到自己那里加以保护。我方特工李修萍告诉谢尔顿，川本四郎并没有死，并且马上会带着平野回到南京。

我地下特工李修萍和鲁志洪跟踪了依萍和谢尔顿。平野悄悄地在研究从铃木教授日记本上撕下的一页1644部队整个平面布局的地图。

川本四郎让平野进行“活体解剖”，平野不肯，川本重新开始怀疑自己的弟弟。

川本发现了平野保存的那份日记中的“炸药室”平面图，得知弟弟的“叛国行为”，川本四郎残忍地给弟弟注射了“虎烈拉”病毒。

沈璇青等得知平野已经牺牲，密报谢尔顿，并提醒他提高警惕，千万小心。

沈璇青一再告戒谢尔顿，危险可能已经向他逼近。谢尔顿从依萍处获悉，五箱“虎烈拉”已经进入上海。他连忙将这一情况告知沈璇青。

金南植混入日本海军医院，证实了这个消息是正确无误的。

上级给了老方指示，团结一切力量，粉碎日军阴谋。谢尔顿接到美国方面的指示，要求他立即回国，不必参加此次行动。被捕的张石光为了日军不伤害母亲，供出一切。

沈璇青见张石光被捕之后马上回到“金蟹酒吧”，心中疑惑。因为张石光向日军招供，老母亲回家之后含恨自杀，受到刺激的张石光也绝望地纵身跳楼了。

李修萍将这一切向老方作了汇报，我方判断，张石光可能已经叛变，决定把原定后天对“虎烈拉”采取行动的计划改在今晚。沈璇青答应帮助谢尔顿安全离开上海。

我方炸毁“虎烈拉”的行动失败，年轻的唐承昌牺牲了。原来谢尔顿得到的“虎烈拉”已经进入上海的情报是假情报。川本四郎决定今天将真正的“虎烈拉”运往上海。

李修萍，鲁志洪及一切抗日力量前往机场阻击日军的“虎烈拉”进入上海，李修萍，鲁志洪在行动中牺牲了，罪魁祸首川本四郎和松井也被消灭，阻击“虎烈拉”行动终于胜利了。