1937年8月初，随着日军侵华战争的展开，规模空前的淞沪会战即将在远东第一大都市上海展开，中国最高统帅部决定“先发制敌”，一举歼灭长江上的所有日舰，消灭日本海军陆战队，赢得战争的先机……
长江的一艘游轮上，爱国学生不失时机地宣传抗日，焚烧日货，蓝胭脂扮成盲人的样子来到甲板上，一路用着盲杖小心翼翼地兜了一圈回到内仓，之前一直在仓外画画的她的闺蜜冯曼娜早就在那里恭候了。她向闺蜜汇报第一个撞她的是个老头，还是个瘸子，因为他走路的时候一脚轻一脚重，至于判定他是个老头则因为听到对方喉咙里有痰；第二个撞她的则是个时髦的女人，喷的香水是法国的夜巴黎，擦的胭脂则是双妹牌的，听口音感觉不是上海人……闭着眼的她甚至用耳朵判断出外面集会烧日货的学生一共有三十九人。曼娜恭喜胭脂全部答对，并表示她的听力、判断力、洞察力都是一流的。
胭脂又对曼娜说她回来的时候遇到了两个奇怪的人，一个扶了一把差点摔倒的自己，这么热的天居然穿着一身毛料西服，热得身上手上都大汗淋漓的；另一个是个酒鬼，大白天喝得醉醺醺的，撞到她的时候不知道腰里别着什么东西，硌得她生疼，说到这里两人都反应了过来那不会是枪吧？
蓝胭脂打算出门打探一番，在船舱转角处撞上了之前遇到过的时髦女人，两人手里的化妆包都打翻了，那时髦女人拿起蓝胭脂的双妹胭脂硬说是自己的，蓝胭脂于是拿起一模一样的另一盒塞进包里。当蓝胭脂继续到处查探时被那个醉酒男子用枪胁迫到机舱内禁锢了起来，此人的真实身份是救国会特勤处的特工宋勉。
时髦女子和一陌生男子在甲板上秘密递交情报，这一幕落入宋勉的眼中，他的大脑数据库立刻跳出日本间谍井上纯子和龙二的名字。井上纯子刚在房间里把情报塞入胭脂盒走出房门就被一男子用枪支胁迫带走。
曼娜久等胭脂不回于是出房间一路小心翼翼地找着胭脂的行踪，胭脂此时正被手铐铐在柱子上动弹不得，突然她摸到柱子上有机油，于是灵机一动把双手涂满机油，用尽全力将手从手铐中褪了出来。重获自由的胭脂与曼娜会合，她告诉曼娜特务共有三个，她们必须尽快告诉船长。路上却不幸落入龙二之手，幸亏宋勉等人一直关注着龙二的行踪及时出手击毙了龙二救下蓝胭脂，带走了井上纯子，纯子在紧急关头将装有情报的胭脂盒塞入了蓝胭脂的包里。
游轮靠岸，日本特高科侦查股股长渡边一郎坐在车内迎接井上纯子的到来，没想到井上纯子竟是被押送着出来的，井上纯子用摩斯密码将自己的处境告诉渡边一郎，渡边一郎收到消息即驱车离开，在宋勉的车和渡边的车交汇之时井上纯子故意偏过头去露出空门，渡边一枪将其毙命。
救国会上海站，站长万志超正在听取工作报告，宋勉回来了，他告诉站长此行一无所获，只是从龙二嘴里挖出了含有巨毒的不完整的作战图，纯子身上的情报应该已经转移，不排除船上还有日本人的接应者。万站长称此事事关淞沪会战的关键，二十四小时后宋勉务必要将他需要的东西拿到。
渡边把纯子最后留下的情报翻译给课长，纯子把情报转移到了一个叫蓝胭脂的女子身上，课长下令务必尽快查到蓝胭脂的下落。
日本人很快查到了蓝胭脂的底细，她是南京中央大学数学系的学生，父亲蓝长明是上海金信银行的老板，有一定的势力和影响力，其政治态度反日亲英美。还有一个重要发现就是和蓝胭脂一起回来的女孩冯曼娜是日军间谍冯子雄的女儿。
冯子雄接到任务后借着女儿曼娜生日，难得大方地要帮女儿开个生日派对，让她把最好的朋友都叫来，自然是少不了胭脂了。席间冯子龙的妻子趁着胭脂不备将她包中的胭脂盒偷偷取出塞入自己包中。
冯子雄和太太俩人躲进房间把蓝胭脂的胭脂盒拆了个底朝天也没有任何发现，冯子雄判断这个胭脂根本就是蓝胭脂的原物，装有纯子的情报的胭脂盒应该还在蓝胭脂的身上，必须继续想办法找到，实在不行就把蓝胭脂扣起来。
正在房间补妆的蓝胭脂取出包中的胭脂盒，记忆力超群的她发现看似一模一样的胭脂盒并不是自己的那个了，经她仔细的搜索，从胭脂盒的夹层里发现一张没有字迹的黄纸，她把纸片放到灯炮上炙烤了一会果然有字迹显现出来“十万火急，军事委员会制定实施封江计划”，这个重大的发现让胭脂心跳不已，此时曼娜来敲门催胭脂去参加舞会，胭脂打开门四下观察之后把曼娜拖进房间，举着手里的纸对曼娜宣布，现在这场战争的命运正掌握在她的手上！曼娜立刻反应过来是船上那个日本女特务干的，她提议立刻把这一消息告诉自己的父亲，他是上海军需处的处长，一定能够辨别这个情报的重要性，胭脂却觉得应该把情报交给宋勉。
胭脂在曼娜家就迫不及待地打电话去救国会上海站找宋勉，电话刚接通，从曼娜处得到消息的冯子雄就掐断了电话，他训斥胭脂不分轻重，他称日本女特务的情报哪能让她发现？宋勉那边一查电话的来源发现是从军需处处长家里打来的。
冯子雄让胭脂把情报给他，胭脂却执意要通知救国会，双方争执不下，冯子雄终于让步称由他通知救国会上海站来家里取情报。趁着救国会的人未到，冯子雄来到书房用药物查看了密电的内容，所谓封江计划，一、阻隔江阴航道；二、各要塞炮台紧急备战；三、长江沿岸游动炮伺机进入阵地。看着这绝密会议纪录，冯子雄明白难怪青木课长要求不惜一切代价必须得到情报，否则日本人在长江上的战舰就全完了。另一张纸则是龙二留下的情报，他发现从江阴口要塞到吴淞口要塞工事都有扩建的迹象。
冯子雄让刘副官把情报送到日本人处，他则留在住处伪造了一份情报准备交给救国会，宋勉拿回情报却发现这居然是一份黄浦江口的防御情报，他想不明白的是明明自己在龙二的房间里发现了高倍望远镜，龙二观察的应该是长江才对呀。站长开始怀疑己方搞错了，难道是日本人根本没有得到封锁长江的计划？宋勉心里对情报的真假产生了怀疑，站长命令他立刻向南京总部汇报，如有可能提前实施封锁长江计划。
青木课长得到情报第一时间就向大本营发去特急绝密电报，称据可靠消息不出三日江阴至吴淞口沿岸将万炮齐发，围歼我舰队于长江中下游，帝国海军生死存亡系于一线。
1937年8月7日深夜，停泊在长江中上游的日本军舰和商船紧急起航，直冲长江口，等中国军队发现情况有异，出动军舰前往江阴要塞拦截时，为时已晚，仅截获两艘日本商船。
宋勉和站长明白他们中了调包计，封锁长江计划正是潜伏在南京军事委员会内部的日军间谍“影子”传出来的，所有接触过情报的人都有嫌疑。
胭脂一出家门就被掳上了汽车，她被蒙着眼睛带到一间屋子里，惊恐交加的她不停地问着对方是谁？为什么要抓她？对方假扮日本人说由于胭脂情报传递失误使他们损失了两艘商船，开始还惊慌失措的蓝胭脂在听到宋勉点烟的声音时立刻平静了下来，从进入院子开始听到的一系列声音，她判断也抓她的根本就是救国会上海站的人。
宋勉告诉胭脂由于她提供的情报有误，现在已经影响到整个淞沪战役的战局，所以她必须认真回忆从船上遇到女特务开始到把情报交给他们的过程。万志超发现了胭脂超人的洞察人力和记忆力，他决定要利用胭脂帮他们找出真相，宋勉不忍心一个姑娘卷入战争，但测试了一次又一次，万志超都认为这是老天派来帮他们的人。胭脂拒绝加入救国会，宋勉激她不愿加入是怕发现真相吧？如果情报泄露真的和冯子雄一家有关，那么她最好的朋友冯曼娜也脱不了干系，如果她愿意加入兴许还能证明冯家的清白。万志超让胭脂在冯家留尽可能长的时间，搜索一切蛛丝马迹，记下他们的一切谈话甚至表情，回来汇报于他。
胭脂为了她的好朋友答应帮万志超这一次，但宋勉清楚一旦踏上间谍这条路，就再也没有回头路，他想提醒胭脂，但显然已经来不及了。
胭脂带着一支口红作礼物再次来到冯家，胭脂装作无意地对曼娜说起她的胭脂盒上次好像掉在他们家了，正巧下人柳妈出来送吃的，她听到此话告诉胭脂自己在老爷书房的废纸篓里见过她的胭脂盒，冯夫人适时出来阻止柳妈继续往下说。说者无心听者有意，胭脂决定去探探冯子雄的书房，在书房的废纸篓外面胭脂发现了冯子雄和夫人练习仿宋体字未处理干净的碎纸，上面赫然写着“十万”和“火急”，胭脂似乎明白了什么。她还没来得及查探更多，冯夫人从银行回来了径直来到书房，冯夫人开关保险箱的一切动静全听在胭脂耳内。胭脂将碎纸带回救国会，经笔迹鉴定碎纸上的字迹和上次情报上的字迹出自同一人，由此可以基本认定冯子雄的嫌疑，但因为他的身份特殊，加上目前战局未定大敌当前，万志超认为不可轻举妄动。他决定再次利用蓝胭脂，但蓝胭脂义正辞严地拒绝，她称以后冯家的事与她没有任何关系。
万志超将说服蓝胭脂的任务交给宋勉，宋勉无奈追上胭脂说要谢谢她请她去喝一杯咖啡。宋勉恳请胭脂再帮帮他们，但胭脂称她不会利用朋友和友情和信任去换取情报，否则她都要看不起自己，要知道真相自己去查。胭脂开玩笑称她给宋勉两个选择，要么说服她，要么爱上她。宋勉紧张了，一手捏着自己的钱包说他已经有心上人了，胭脂打开宋勉的钱包居然看到了同学林天沐的照片。胭脂咖啡也不喝了，让宋勉立刻带自己去见林天沐。
林天沐在天主教堂照顾着一群无家可归的孤儿们，她是一个悲天悯人的天主教徒，她担心即将来临的战争会令这眼前的平静也消失了。胭脂和宋勉留下来陪孩子们一起吃饭，正吃着一个小姑娘跑出教堂想拿手中的馒头喂鸡，突然日本人就发动了战争，满天的轰炸机密集地投下炸弹，胭脂为了保护孩子被炸伤了手住进了医院。宋勉来到医院看望受伤的胭脂，他表示同意胭脂的观点，如果要女人上战场，那么要男人干什么，他向胭脂敬了个军礼称不会再来打扰她，但胭脂叫住了他，说自己答应帮他们，但有个条件，不能为难冯曼娜。
青木特意交代冯子雄要提高警惕，以后就由“影子”和他单线联系，冯子雄打算利用南京到上海的邮政路线和“影子”联系，为保险起见收件人将会是和“影子”有婚约的曼娜，就算时事紧张邮件会遭到检查想必也不会怀疑两个谈情说爱的年轻人。冯子雄夫妇将情况告诉曼娜，让她先保持和周汉光（影子）书信来往，若有好感就继续交往，觉得不合适也不勉强，曼娜没有多想就答应了下来。
以南京军事委员会少校参谋身份潜伏的日本间谍周汉光在再三确认周围情况无殊后将寄给曼娜的信投入邮筒，随后他从自己的太阳镜片中发现身后的小巷中似乎有动静，警惕心极高的周汉光拔枪就进入小巷查探，在小巷中他踩到了一颗国民党军装的钮扣，但平静的小巷中除了一个正在打铁的老匠人和做针线的老妇，似乎并没有任何特殊，终于放松警惕的周汉光将枪插回腰间离开，周宇浩见周汉光离开从高处跳下，随即也离开。
周汉光的信很快到了上海地下党联络员李杰的手中，他看到信封上的两张航空邮票起了疑，他不着痕迹地取出信件拍照留存后将信件恢复原样。此时响起了敲门声，门外来者正是表面身份为南京军事委员会参谋实为中共地下党员的周宇浩，李杰将相片冲印出来让周宇浩看，他觉得真正的秘密应该在两枚航空邮票上。