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1937年中日战局吃紧,国民政府撤离南京,迁都重庆。时任国防部二厅特侦处处长的陆从骏,被任命为国民政府最高机密破译部门——“黑室”负责人。陆从骏在“黑室”的创始人杜先生处了解到,“黑室”不可或缺的王牌人物陈家鹄依然安全且即将回国,同时,杜先生的机要秘书林蓉蓉和陆从骏的搭档孙立仁也被派往“黑室”。陈家鹄师从于日本军用密码之父——炎武次二,带着自己的日本妻子惠子回重庆以图报效祖国。
陆从骏和杜先生得知陈家鹄安全如释重负,然而,由于陈家鹄的重要性以及他有一位日本妻子,陆从骏决定不急于招陈家鹄进“黑室”。陆从骏安排与陈家鹄茶楼相见并试探。陈家鹄从茶楼离开遭遇日本特工刺杀,撤离途中一名共产党人为保护陈家鹄牺牲。惠子日本人的身份扰乱了陈家人的正常生活,无奈之下,陈家鹄决定带惠子从家里搬走。此时,惠子的哥哥相井也作为军人被派往中国。
相井被派往中国的任务是重新组建特别行动组,并且具体负责刺杀行动。令相井意外的是第一个刺杀目标便是陈家鹄,相井深夜潜人妹妹家,出于对妹妹深切的关爱迟迟不忍下手,最终无功而返,撤离中杀死两名保护陈家鹄的军统特工。得知保护陈家鹄的特工被杀,随即陈家鹄被绑架至“黑室”,共产党也为更好的对陈家鹄进行安全保护,唤醒潜伏在国民党内多年的共产党特工林蓉蓉。
陆从骏要求陈家鹄尽快为“黑室”工作,然而,陈家鹄依旧对军统人员冷酷残暴的行为方式不能苟同。陈家鹄一夜未归,陈家人托付李政和石永伟四处打探,惠子也搬回陈家。“黑室”培训班正式成立,李政负责“黑室”的警备工作,而陈家鹄依旧不愿加入“黑室”,并选择绝食作为抵抗方式,此刻,陈家鹄最挂念的就是自己的妻子惠子。
闰少秋向杜先生告知陈家鹄的绝食抵抗,陆从骏和杜先生对此手足无措,林蓉蓉却抓住了第一次和陈家鹄沟通的机会。美国密码之父海瑟斯被秘密派来支援“黑室”,让陈家鹄的内心激荡起对数字和密码的热情。面对绝食初愈的陈家鹄,陆从骏不得不妥协,答应陈家鹄可以给惠子寄一封信。惠子收到陈家鹄的来信,为得知陈家鹄的具体地址,惠子和陈家人决定找萨根帮忙查找。相井此时也以重金悬赏有关陈家鹄的一切线索。
陈家鹄隐藏着对密码的热情,在课上表现得心不在焉,而且,他在生活中的特立独行也令他与“黑室”学员格格不入。陆从骏对于陈家鹄的碌碌无为忍无可忍,在课后找到陈家鹄威迫陈家鹄端正态度为“黑室”效力。次日,一位自称是陈家鹄妹妹陈家燕的女人到邮局查找166信箱的具体位置,深知事有蹊跷的李政将此事拖延住,并跟踪查清此人的地址。陆从骏深知这是陈家鹄寄给惠子的信走漏了风声,陆从骏决定将计就计,一箭双雕。
香井相信了鲁从骏设计的假象,对陈家鹄身在被服厂确信无疑.曰特决定当晚就对陈家鹄进行暗杀,然而,警觉的相井却另有计划。次日,日本轰炸机将被服厂夷为平地,被服厂中石永伟和军统特工在内无一人生还,相井等人也认定刺杀陈家鹄成功。陈家鹄思念惠子心切,决定帮助林蓉蓉脱颖而出,从而,自己可以被当成废物踢出“黑室”,闰少秋无意间偷听到陈家鹄与林蓉蓉的作弊计划。
闰少秋对林蓉蓉的不屑一顾恼羞成怒,随即以匿名信的方式,将陈家鹄与林蓉蓉作弊告知陆从骏。陈家鹄得到一份开除处分通知,满以为计划成功可以离开“黑室”,不想却被陆从骏和杜先生联合上演一出将计就计。陆从骏邀请陈家鹄临走前参加“黑室”中考总结会,在会上,陆从骏揭露林蓉蓉作弊,陈家鹤点破事实真相准备与林蓉蓉共同担当,终无可奈何答应无条件为“黑室”工作。
武汉会战岌岌可危,杜先生特意赶到“黑室”,海瑟斯也决定将武汉日军的密码摆到课堂上,希望有所突破。陈家鹄找到海瑟斯谈心,海瑟斯当面表达陈家鹄对自己对"黑室"的重要性,而且在陈家鹄的帮助下,海瑟斯也明确1比25000验算的破译方法。相井再次接到刺杀任务,目标就是海瑟斯。相井从萨根处了解到海瑟斯的弱点,于是在重庆多处社交场所打探,同时依据海瑟斯的喜好,安排苏丽珍寻找机会与海瑟斯邂逅。
萨根从医生处得知惠子怀孕。相井来看望惠子,希望惠子能回国,而惠子则一心等待陈家鹄。陈家燕将陈家鹄的信带给惠子,不想这封信无意间被相井发现,得知陈家鹄未死。身处“黑室”的陈家鹄,由于对惠子和家人的思念意志依然消沉,海瑟斯出于对陈家鹄的同情向陆从骏施加J土力。陈家鹄从海瑟斯处得知萨根可能是日本间谍,惶恐之余更担心惠子的安全。