1942年，日本侵略者肆意践踏中华大地，抗日将士奋勇抵抗，战事正处于焦灼阶段。
向海音是重庆中央大学心理学教师，她毕业于日本早稻田大学，她的未婚夫是数学系教授孔方，是一个数学，逻辑学的天才。这一天的早晨，向海音的闹钟像往常一样响了很久，吵醒了隔壁的王老师，可是她都没有醒，王老师使劲砸门才把睡眼惺忪的向海音叫醒，她长期失眠，只能靠安眠药入睡。向海音立刻精神抖擞地来孔方的宿舍，还嘱咐王老师不要把自己的迟到的事告诉孔方，就是不想他担心，可是王老师根本没有遵守诺言，转身就透露给了孔方。
广播里传来一则战事新闻，“八路军某部独立团在太行地区慈水县与日军精锐之师第136旅团展开激烈交战，八路军使用了刚刚研制出来的各式新型武器装备，战斗力突然激增，毙敌上百人，连续打退了敌人两次进攻，但终因寡不敌众，撤出了慈水县”，孔方仔细听完，不由地皱起了眉头，他觉得这条新闻就不该播，首先慈水县是他的家乡，更让他揪心的是敌人会根据新研制的武器这一条猜到附近有兵工厂，再根据具体参数和地图数据就能算出具体的位置，他的弟弟孔圆连长带队就在兵工厂执行一项秘密任务，更何况136旅团的少将横尾阔是日本著名的军事专家，他熟读《孙子兵法》，是一个中国通，孔方坚信他一定能精确地找到兵工厂的位置。
果然不出孔方所料，横尾阔很快想到了兵工厂的位置，并派人去虎头山勘测数据，他还盯上了那里的工人。横尾阔和藤山乔装改扮成中国百姓的样子来到街上。横尾阔看到孔记粮行的招牌，不禁对上面的书法，以及封条上的字赞不绝口，即刻带藤山一起去寻找写这些字的人。
孔方给学生们上课，可是外面炮火连天，他们无心学习，一心只想上前线打仗，保家卫国，孔方晓之以理动之以情，告诉他们这一切都与数学有关，同学们坚决不信，孔方利用数学知识，能精确算出下一次警报的时间，还能根据学生近两月的生活数据准确策算出他今晚约会的地点和对象，同学们不禁对他刮目相看，懂得了学好数学同样可以报效祖国。
警报响起的时候，同学和老师都纷纷躲进防空洞，只有孔方和向海音不慌不忙，镇定自若，孔方有准确的数据做参考。
慈水县孔记粮行的掌柜孔粮丰，膝下有两个儿子孔方和孔圆，女儿孔融。日军占领慈水县之前，孔粮丰就在店铺的门上贴上封条，声明粮食已经卖完，日军来到孔记，逼一个百姓带路来到孔府，孔记的伙计青皮发现日军的踪迹，立刻跑回孔府报信，孔融立刻召集家里的佣人和伙计做好准备迎敌。
日军闯进孔府，用枪威逼孔粮丰交出粮食，孔融女扮男装进来送茶，被日军抓走做人质，让孔粮丰拿粮食来换人，并鸣枪示警。
就在这时，横尾阔正好也来到孔府，制止了日军少尉的无礼行为，向孔粮丰毕恭毕敬地行礼请教，得知字体都是孔融所写，横尾阔不禁赞不绝口，
孔粮丰向横尾阔说明情况，他不想暴露出日本人的身份，只好先行离开，临走悄悄命令日军少尉把孔融放了，解除了空腹的危机。横尾阔狠狠教训了日军少尉，然后径直离开了。
天上的日军战机轰鸣而过，孔方和向海音也不躲避，竟然在镇定自若地打乒乓球，孔方通过战斗机的数量和材质分析出日本的气数已尽，孔方特意搜集过横尾阔的资料，断定他们俩很快就会见面，向海音觉得他是中度强迫症，突然，日军的炸弹在他们身边爆炸，两个人赶忙躲进球台下面，孔方警告向海音不许再吃安眠药，向海音不想多做解释，紧紧抱着他吻住了他的嘴，制止了空方的唠叨。
向海音想让医生给她多开一些安眠药，医生担心惹麻烦，坚决不给她开，向海音软磨硬泡，医生还是不松口，她也只好作罢。
横尾阔派四个日军假扮当地农民来虎头山勘测数据，其中两个人很快查到了兵工厂的位置，路上遇到侦察连的战士，他们的斗笠暴露了身份，战士立刻向孔圆报告，孔圆带队把那两个日军抓获，其中一个试图逃跑，被当场击毙，孔圆把石田太郎生擒活捉，并且得知另外两个日军晚上十点在凤凰破见面。
兵工厂谭震厂长提醒孔圆，应该早日向团部汇报，担心兵工厂的位置已经暴露，他想等消灭另外两个日军以后再说。石田太郎绝食抗议，孔圆带通讯员特意给他送来汤面，还对他好言相劝，石田太郎只好乖乖吃饭。
孔方担心向海音再吃安眠药，一直守在她的房间，向海音被逼无奈，只好把吃剩下的安眠药交出来，孔方才肯离开，多亏向海音实现早有准备，她拿出另一瓶安眠药吃下去。
孔圆在凤凰破做了周密的安排，大嘴假扮石田太郎守株待兔等日军的到来，没想到被当场击毙，等埋伏的八路军反应过来，两个日军早已经逃之夭夭。
横尾阔派出的测绘小组没有及时归队，他立刻派一支特别小分队进山摸清情况。与此同时，谭震再次向孔圆建议，马上向团部汇报兵工厂的情况，他担心一个特务连无法应对日军一个队的兵力，可是孔圆坚持虎头山位置险要，易守难攻，更何况独立团刚和日军打了硬仗，撤回到慈水县以北，远水解不了近渴，谭震也无可奈何。
特务连的战士在虎头山巡逻的时候，遭遇日军特别小分队的埋伏，双双被击毙，战士们听到枪声，立刻赶来增援，不幸落入日军的包围圈，很快就全部牺牲，孔圆带特务连的战士们立刻做好战斗准备，利用虎头山的地形，神出鬼没和日军周旋。
日军特别小分队被打得措手不及，疲于迎战，伤亡惨重，最后，井泽没有子弹，跳崖逃走了。
横尾阔派步兵支队封锁太行北线，阻断独立团前来增援，他决定在没有地形图的情况下，提前对虎头山进行强攻，还要亲自进山指挥，藤山劝他不要去冒险，可是横尾阔坚持不入虎穴，焉得虎子。
孔圆得知增援的大部队被阻隔，不能及时赶来，只能把武器弹药就地隐藏，可是需要十二个小时的时间，孔圆做好了背水一战的准备，决定坚守到谭厂长把武器弹药隐藏好。
孔圆让学武隐藏起来，做最后一道防线，让陆达想办法突围出去，向团部汇报情况，谭震带领工人们紧锣密鼓地隐藏武器，还拿来铺盖卷，做出是工人宿舍的假象。
横尾阔率队来到虎头山，命令部队全力进攻，日军的枪炮齐飞，阵地立刻变成了一片火海，孔圆率队拼命抵抗，和日军展开激战，学武被炸进一个洞里。
天渐渐黑了下来，日军突然发射毒气弹，阵地上顿时浓烟滚滚，战士们被毒晕了过去，孔圆也渐渐体力不支，晕倒了，日军戴着防毒面具悄悄向阵地进攻，孔圆强打精神，被日军俘虏，陆达偷换上日军的服装，侥幸活了下来。天亮的时候，日军把战士们的尸体焚烧掩埋，陆达躲在一边见此情形，心痛到无法呼吸。
横尾阔率队来到兵工厂，把谭震厂长和工人们团团围住，横尾阔极力劝说谭厂长，可是他大义凛然，毫不畏惧，和横尾阔据理力争，谴责日军的侵略本性，横尾阔威逼工人们说出武器和机器藏匿的地点，否则格杀勿论，可是大家都沉默不语，拒不交代。谭厂长号召大家坚守秘密，决不能让特务连的战士们的血白流。
学武终于醒过来，他挣扎着从洞里爬出来，试图爬上去，可是努力了几次，都被重重摔下来，学武沿着洞口进去，看到里面有很多的头骨。
陆达站在山上击毙了日军的兵工队长，横尾阔下令不许佩戴军衔，不许行礼，以免被八路军偷袭，还让藤山致电马格纳，尽快启程奔赴战场。
向海音看到孔圆被俘的新闻，立刻告诉了孔方，他当即决定去孔圆的部队看看，向海音也要一起去，孔方不想她去前线冒险，可是向海音却一意孤行，孔方也只好同意，还让她去设法搞定邮政飞机。
日军对虎头山展开地毯式搜查，陆达左躲右闪和他们周旋，很快被日军追上来，陆达扔出来一个马蜂窝，把日军蛰得抱头鼠窜，可是躲闪不及，全部晕倒在地，陆达缴获了他们的枪支，顺利脱身。
向海音假装是军统的特务，要去执行特殊的任务，她和孔方顺利搭乘邮政飞机前往太行地区。