一九三五年，抗战全面爆发，国共之争陷入僵持，代号“蜂巢”的日本反共侵华机构派遣大量特务潜入上海，为全面侵华做足准备，企图进一步瓜分中国。眼下国民政府为巩固政治权力，也在上海这个列强割据、黑帮混战的地界建立青山军校，加紧对学员进行反共清剿的训练，同时防止各种势力蔓延。
校长蒲丛依靠青山军校编织一张庞大的情报网，立于信息战不败之地。学员顾盼、田桥洁皆为翘楚，二人互相竞争又是知心姐妹，顾盼与教官谭仲文秘密相恋，却不知田桥洁亦倾心谭仲文已久。
很快顾盼收到青山军校暗中指令，命其独自执行暗杀日本文化司司长神谷浩二的任务。日本行动队副队长罗星明和队长龙智捷奉命保护其安全，日本领事馆武官松本健太更是亲自前往车站迎接。
期间罗星明注意到顾盼背着大提琴走在街上，心里生出一丝疑虑。反观顾盼埋伏在火车站对面的宾馆房间，拿出狙击枪瞄准目标人物准备射击。由于神谷浩二被全程保护，顾盼藏身房顶开枪将其击毙，然后销毁证据逃离现场，待罗星明赶来已是人去楼空。
顾盼乔装男装混入人群，仍是被罗星明一眼发现，立刻朝她开了一枪，不偏不倚打中腹部。情急之下，顾盼跑到秘密地点浆洗店与接头人碰面，没想到接头人竟要将他灭口，幸好顾盼有所察觉，一番激烈打斗后，终将对方杀死。
因顾盼负伤在身，行动不便，抢了一辆汽车就要离开，结果又碰见罗星明，为此展开疯狂角逐。同一时间里，国民政府军事委员会第二厅厅长张华贵紧急开会，针对神谷浩二遇害事件进行讨论。侍从室主任王盛乡转达日方追究到底的意思，首先将矛头指向青山军校，蒲丛面对质疑，承认青山军校存在疏忽失察，其他人觉得这件事极有可能是共党所为。
事实上，数日前日本侵略者已制定计划，意欲实施破坏中国的经济。日共党员神谷浩二来华是为将情报转交共党，奈何遭遇暗杀，以至于情报内容石沉大海。上海地下党组织负责人崔文生迅速上报，请示起用代号变色龙，实为爱国人士的罗星明受命潜伏蜂巢组织，寻找顾盼之余查明情报内容。
反观顾盼完成任务后沦为弃子，以龙智捷、罗星明为首的行动队对她展开追杀。蒲丛将顾盼冠以叛国罪之名，彻底将她推向不可翻身的死地，甚至派遣田桥洁执行杀死顾盼的任务。顾盼难以置信，还未等田桥洁扣动扳机，龙智捷和罗星明带领日本使馆武官队出现，田桥洁因爆炸身亡，顾盼重伤逃生。
如今青山军校也在清查顾盼的物品，谭仲文无力阻止，急忙去找蒲丛获悉顾盼行踪。当晚顾盼躲在胡同里，本以为能躲过一劫，却还是被罗星明发现，只好开车冲了出去。趁着罗星明自顾不暇之时，谭仲文及时救走顾盼，把她带回自己家里。
尽管罗星明没有查出情报内容，但是他得到神谷浩二交给自己的手表，拆开表没有发现异常，倒是表盘纹路复杂且奇怪，像是某种图案。顾盼梦见田桥洁追杀自己，惊醒后向谭仲文道出来龙去脉，谭仲文闻言若有所思。
现在还无法确定幕后主谋的真正动机，谭仲文准备送顾盼去哈尔滨的秘密据点避风头，结果两人的行踪都被人监视。龙智捷收到消息带着罗星明赶往码头，注意到一位戴着口罩的女保洁员，顾盼趁机跑了出去，正当她要靠近谭仲文的汽车，岂料汽车爆炸，谭仲文葬身火海，令她悲痛欲绝。转眼过去十天，各方势力仍是没有找到顾盼，蒲丛查过机要室档案，根本没有人发出这个刺杀命令。
时至今日，顾盼下落不明，反倒是谭仲文死里逃生，心里已经认定顾盼再无活着的可能。蒲丛鼓励谭仲文应该振作起来，他可以怪自己这个义父，但是自己永远把他当作儿子，他应该替顾盼好好活着。
罗星明亲自前往日本驻沪领事馆拜访恩师松本，试探性询问他如何看待神谷浩二遇刺事件，凶手又是属于哪方势力。但是松本没有正面回应，告诉他这件事情就此终结。随后罗星明按照计划安排云姐营救顾盼，并将顾盼带回哈尔滨疗养，待其伤势稳定后实施下一步计划。
云姐是崔文生的得意门生，亦是一名优秀的共产党员，顾盼醒来后想起当年暗杀闫璐海时见过对方，而她戒备心极强，坚持要离开，云姐则是告知顾盼已被全城通缉，如果想要查清真相就得做好充足准备。
随着日寇侵华的意图日益明显，中华民族到了决定生死存亡的关键，中国共产党呼吁建立最广泛抗日民族统一战线，爱国青年甚至国民党内部的爱国人士都投入到这场抗日救亡运动之中。身为骨干力量的云姐受命照料顾盼，试图让她弃暗投明，只是顾盼状态始终不太稳定，罗星明亦是棋行险招。
经过一番考量，顾盼为找出陷害自己的黑手，不得不暂时留在哈尔滨。云姐在执行任务中受伤，强忍着伤痛为自己包扎，顾盼则是主动过来帮忙，完全确定她就是共产党。而在另一边，罗星明无意间发现蜂蜜盖子的图案，结合手表盘纹路，立马联想到蜂巢。
因为云姐的身份，顾盼对她多了几分信任，向她展示这些日以来搜集的信息。顾盼经过抽丝剥茧后认定青山军校存在问题，便在云姐的分析和建议下，决定只身返回上海故意引起注意，佯装被抓潜入行动队，找出自己被陷害的原因。
龙智捷带着罗星明来到刑房，顾盼遭受严刑拷打仍是没有透露半个字，凭借着一股倔强的劲儿，引起龙智捷的兴趣。在龙智捷的授意下，罗星明单独给顾盼做思想工作，劝说她加入行动队，而这一切正是他和崔文生共同商定的计划。
崔文生通过神谷浩二留下的线索，查到神秘组织“蜂巢”是由多个国家坚定的法西斯分子组成，他们的目的就是消灭共产主义，建立统一的法西斯世界。因为这个组织亚洲的分部在日本，所以收到命令已经抵达上海，彻底在亚洲展开法西斯主义，崔文生交代罗星明密切关注其动向，绝不能有半点懈怠。
谭仲文出院后回到青山军校，打起精神培训新一批学员，其中包括王敏和夏恩等人。副校长黄素梅靠特效药审讯犯人，始终相信就算共党骨头再硬，照样还是有软肋。学校临时演练一场突发危机情况，学员郭俊超满分通过，对于环境观察细致入微，夏恩亦是反应迅速，唯有王敏还未及格，心里有些不平衡。
随后谭仲文带着学员们参观痕检中心，主任杨谦假扮死人给大家吓了一跳，谭仲文早就习以为常。接下来的射击考核中，夏恩难以克服心理障碍导致排名垫底，黄素梅看出她的异样，吩咐王敏替她监视夏恩的一举一动。
早在夏恩来军校以前，她就决定要替顾盼潜伏在军校里查找线索，顾盼心情复杂，提醒她一旦选择这条路就没有回头的机会。罗星明主动来找云姐，顺便跟她谈起对顾盼的印象，认为她是一个比自己想象中还要坚强的人，云姐点破他喜欢顾盼的心思。
夏恩趁四下无人靠近校长办公室，犹豫许久又转身离开，殊不知，这一幕被黄素梅看在眼里。龙智捷当众宣布顾盼正式加入行动队，给她分发一把手枪，传达今晚去码头接应物资的任务。
罗星明注意到顾盼目光盯着自己，便微笑回应是例行公事，让她不必紧张。龙智捷站在旁边观察这一幕，感觉到两人关系不一般，倒是没有直接拆穿。正当众人从码头搬运货物，一伙人匆忙赶来将他们包围，一时间枪声四起，顾盼在人群中看到谭仲文。
意识到谭仲文还活着，顾盼惊喜交加，待她反应过来后，罗星明已经把她拉到旁边躲避子弹。罗星明提醒顾盼生命只有一次，意思让她不要在这个时候考虑儿女私情，但是顾盼为救发现有人要暗杀谭仲文，及时朝对方开了一枪。
龙智捷等人火速撤离码头，回到仓库后，有人怀疑顾盼走漏风声，直接朝她身后踹了一脚。顾盼满心委屈，毫不犹豫地反手制服此人，正要痛下杀手被龙智捷阻止。龙智捷对其矫捷身手大为赞叹，同时产生了些猜忌。
谭仲文带人检查码头发现这些走私货物都是雷管，并且找到一个尚有生命体征的杀手，立马送往医务室让杨谦抢救。杨谦连续几个小时的手术，成功取出子弹检验型号，发现杀手体内的弹壳并非军校所有，而是来自行动队，所以他和谭仲文猜测有卧底潜伏在行动队。
罗星明已经获悉日方想要破坏中美航空队的会谈，松本更是下达命令要刺杀美国空军代表，由罗星明配合龙智捷负责行动任务。但是罗星明总觉得事情有些不对劲，因为按照惯例重大任务之前是不可能有其他任务插进来，结果这次他们竟为一批货物与青山军校的人交火，实在是有些反常。
崔文生认同罗星明的观点，叮嘱他继续观察，若有情况随时联系。经过这段时间，崔文生询问罗星明对顾盼的看法，罗星明表示她让自己的刮目相看，如果有机会相信她一样会为国家和民族做些事情。
黄素梅派人抓住夏恩进行心理审讯，引导她说出埋藏在心里的秘密。夏恩满脑子都是父母被杀的画面，正当她不受控制准备讲出来，谭仲文急忙赶来打断审讯。但是黄素梅并未因此放弃，岂料夏恩已经恢复些许意识，将计就计谎称父母外出郊游被歹徒杀害，成功蒙混过关。
其实早在之前，顾盼已经提醒夏恩提防青山军校里最有威胁的两个人，分别是校长蒲丛和副校长黄素梅。因为黄素梅早年留学美国攻读心理学博士，更是青山军校出了名的审讯大师，平日里负责每期学员的综合测量，实则对每位学员进行忠诚度考核，夏恩想要通过审讯就要在谎话里掺着真话，只有无限接近真实的谎言才难以拆穿。
蒲丛临时开会召集大家，拿出已经搜集的线索进行分析，杨谦全程故作镇定，待没人后向谭仲文透露一个秘密，那就是自己曾在现场搜集回来的证物里发现顾盼遗落的耳环，所以猜测在码头开枪救谭仲文的人就是顾盼。
在谭仲文的恳请下，杨谦为他分析顾盼最有可能藏身的地方，并且将搜查名单提供给蒲丛时，故意将这个地址放在最后，尽量给谭仲文争取时间。夏恩躲在门外偷听谈话，直至谈话结束才悄悄离开。
随后谭仲文独自前往仓库，想要在青山行动队找到这里之前确认顾盼是否活着。可惜谭仲文还是爆料身份被龙智捷抓住，龙智捷知道谭仲文曾是顾盼的教官，便让她来亲自审讯。昔日恋人再次见面，已经是对立阵营，谭仲文难以相信顾盼会背叛国家当汉奸，可是顾盼无法吐露自己的苦衷，只能在龙智捷和罗星明面前对谭仲文实施酷刑。