一九三五年，抗戰全面爆發，國共之爭陷入僵持，代號“蜂巢”的日本反共侵華機構派遣大量特務潛入上海，為全面侵華做足準備，企圖進一步瓜分中國。眼下國民政府為鞏固政治權力，也在上海這個列強割據、黑幫混戰的地界建立青山軍校，加緊對學員進行反共清剿的訓練，同時防止各種勢力蔓延。
校長蒲叢依靠青山軍校編織一張龐大的情報網，立于信息戰不敗之地。學員顧盼、田橋潔皆為翹楚，二人互相競爭又是知心姐妹，顧盼與教官譚仲文秘密相戀，卻不知田橋潔亦傾心譚仲文已久。
很快顧盼收到青山軍校暗中指令，命其獨自執行暗殺日本文化司司長神谷浩二的任務。日本行動隊副隊長羅星明和隊長龍智捷奉命保護其安全，日本領事館武官松本健太更是親自前往車站迎接。
期間羅星明注意到顧盼背著大提琴走在街上，心里生出一絲疑慮。反觀顧盼埋伏在火車站對面的賓館房間，拿出狙擊槍瞄準目標人物準備射擊。由于神谷浩二被全程保護，顧盼藏身房頂開槍將其擊斃，然后銷毀證據逃離現場，待羅星明趕來已是人去樓空。
顧盼喬裝男裝混入人群，仍是被羅星明一眼發現，立刻朝她開了一槍，不偏不倚打中腹部。情急之下，顧盼跑到秘密地點漿洗店與接頭人碰面，沒想到接頭人竟要將他滅口，幸好顧盼有所察覺，一番激烈打斗后，終將對方殺死。
因顧盼負傷在身，行動不便，搶了一輛汽車就要離開，結果又碰見羅星明，為此展開瘋狂角逐。同一時間里，國民政府軍事委員會第二廳廳長張華貴緊急開會，針對神谷浩二遇害事件進行討論。侍從室主任王盛鄉轉達日方追究到底的意思，首先將矛頭指向青山軍校，蒲叢面對質疑，承認青山軍校存在疏忽失察，其他人覺得這件事極有可能是共黨所為。
事實上，數日前日本侵略者已制定計劃，意欲實施破壞中國的經濟。日共黨員神谷浩二來華是為將情報轉交共黨，奈何遭遇暗殺，以至于情報內容石沉大海。上海地下黨組織負責人崔文生迅速上報，請示起用代號變色龍，實為愛國人士的羅星明受命潛伏蜂巢組織，尋找顧盼之余查明情報內容。
反觀顧盼完成任務后淪為棄子，以龍智捷、羅星明為首的行動隊對她展開追殺。蒲叢將顧盼冠以叛國罪之名，徹底將她推向不可翻身的死地，甚至派遣田橋潔執行殺死顧盼的任務。顧盼難以置信，還未等田橋潔扣動扳機，龍智捷和羅星明帶領日本使館武官隊出現，田橋潔因爆炸身亡，顧盼重傷逃生。
如今青山軍校也在清查顧盼的物品，譚仲文無力阻止，急忙去找蒲叢獲悉顧盼行蹤。當晚顧盼躲在胡同里，本以為能躲過一劫，卻還是被羅星明發現，只好開車沖了出去。趁著羅星明自顧不暇之時，譚仲文及時救走顧盼，把她帶回自己家里。
盡管羅星明沒有查出情報內容，但是他得到神谷浩二交給自己的手表，拆開表沒有發現異常，倒是表盤紋路復雜且奇怪，像是某種圖案。顧盼夢見田橋潔追殺自己，驚醒后向譚仲文道出來龍去脈，譚仲文聞言若有所思。
現在還無法確定幕后主謀的真正動機，譚仲文準備送顧盼去哈爾濱的秘密據點避風頭，結果兩人的行蹤都被人監視。龍智捷收到消息帶著羅星明趕往碼頭，注意到一位戴著口罩的女保潔員，顧盼趁機跑了出去，正當她要靠近譚仲文的汽車，豈料汽車爆炸，譚仲文葬身火海，令她悲痛欲絕。轉眼過去十天，各方勢力仍是沒有找到顧盼，蒲叢查過機要室檔案，根本沒有人發出這個刺殺命令。
時至今日，顧盼下落不明，反倒是譚仲文死里逃生，心里已經認定顧盼再無活著的可能。蒲叢鼓勵譚仲文應該振作起來，他可以怪自己這個義父，但是自己永遠把他當作兒子，他應該替顧盼好好活著。
羅星明親自前往日本駐滬領事館拜訪恩師松本，試探性詢問他如何看待神谷浩二遇刺事件，兇手又是屬于哪方勢力。但是松本沒有正面回應，告訴他這件事情就此終結。隨后羅星明按照計劃安排云姐營救顧盼，并將顧盼帶回哈爾濱療養，待其傷勢穩定后實施下一步計劃。
云姐是崔文生的得意門生，亦是一名優秀的共產黨員，顧盼醒來后想起當年暗殺閆璐海時見過對方，而她戒備心極強，堅持要離開，云姐則是告知顧盼已被全城通緝，如果想要查清真相就得做好充足準備。
隨著日寇侵華的意圖日益明顯，中華民族到了決定生死存亡的關鍵，中國共產黨呼吁建立最廣泛抗日民族統一戰線，愛國青年甚至國民黨內部的愛國人士都投入到這場抗日救亡運動之中。身為骨干力量的云姐受命照料顧盼，試圖讓她棄暗投明，只是顧盼狀態始終不太穩定，羅星明亦是棋行險招。
經過一番考量，顧盼為找出陷害自己的黑手，不得不暫時留在哈爾濱。云姐在執行任務中受傷，強忍著傷痛為自己包扎，顧盼則是主動過來幫忙，完全確定她就是共產黨。而在另一邊，羅星明無意間發現蜂蜜蓋子的圖案，結合手表盤紋路，立馬聯想到蜂巢。
因為云姐的身份，顧盼對她多了幾分信任，向她展示這些日以來搜集的信息。顧盼經過抽絲剝繭后認定青山軍校存在問題，便在云姐的分析和建議下，決定只身返回上海故意引起注意，佯裝被抓潛入行動隊，找出自己被陷害的原因。
龍智捷帶著羅星明來到刑房，顧盼遭受嚴刑拷打仍是沒有透露半個字，憑借著一股倔強的勁兒，引起龍智捷的興趣。在龍智捷的授意下，羅星明單獨給顧盼做思想工作，勸說她加入行動隊，而這一切正是他和崔文生共同商定的計劃。
崔文生通過神谷浩二留下的線索，查到神秘組織“蜂巢”是由多個國家堅定的法西斯分子組成，他們的目的就是消滅共產主義，建立統一的法西斯世界。因為這個組織亞洲的分部在日本，所以收到命令已經抵達上海，徹底在亞洲展開法西斯主義，崔文生交代羅星明密切關注其動向，絕不能有半點懈怠。
譚仲文出院后回到青山軍校，打起精神培訓新一批學員，其中包括王敏和夏恩等人。副校長黃素梅靠特效藥審訊犯人，始終相信就算共黨骨頭再硬，照樣還是有軟肋。學校臨時演練一場突發危機情況，學員郭俊超滿分通過，對于環境觀察細致入微，夏恩亦是反應迅速，唯有王敏還未及格，心里有些不平衡。
隨后譚仲文帶著學員們參觀痕檢中心，主任楊謙假扮死人給大家嚇了一跳，譚仲文早就習以為常。接下來的射擊考核中，夏恩難以克服心理障礙導致排名墊底，黃素梅看出她的異樣，吩咐王敏替她監視夏恩的一舉一動。
早在夏恩來軍校以前，她就決定要替顧盼潛伏在軍校里查找線索，顧盼心情復雜，提醒她一旦選擇這條路就沒有回頭的機會。羅星明主動來找云姐，順便跟她談起對顧盼的印象，認為她是一個比自己想象中還要堅強的人，云姐點破他喜歡顧盼的心思。
夏恩趁四下無人靠近校長辦公室，猶豫許久又轉身離開，殊不知，這一幕被黃素梅看在眼里。龍智捷當眾宣布顧盼正式加入行動隊，給她分發一把手槍，傳達今晚去碼頭接應物資的任務。
羅星明注意到顧盼目光盯著自己，便微笑回應是例行公事，讓她不必緊張。龍智捷站在旁邊觀察這一幕，感覺到兩人關系不一般，倒是沒有直接拆穿。正當眾人從碼頭搬運貨物，一伙人匆忙趕來將他們包圍，一時間槍聲四起，顧盼在人群中看到譚仲文。
意識到譚仲文還活著，顧盼驚喜交加，待她反應過來后，羅星明已經把她拉到旁邊躲避子彈。羅星明提醒顧盼生命只有一次，意思讓她不要在這個時候考慮兒女私情，但是顧盼為救發現有人要暗殺譚仲文，及時朝對方開了一槍。
龍智捷等人火速撤離碼頭，回到倉庫后，有人懷疑顧盼走漏風聲，直接朝她身后踹了一腳。顧盼滿心委屈，毫不猶豫地反手制服此人，正要痛下殺手被龍智捷阻止。龍智捷對其矯捷身手大為贊嘆，同時產生了些猜忌。
譚仲文帶人檢查碼頭發現這些走私貨物都是雷管，并且找到一個尚有生命體征的殺手，立馬送往醫務室讓楊謙搶救。楊謙連續幾個小時的手術，成功取出子彈檢驗型號，發現殺手體內的彈殼并非軍校所有，而是來自行動隊，所以他和譚仲文猜測有臥底潛伏在行動隊。
羅星明已經獲悉日方想要破壞中美航空隊的會談，松本更是下達命令要刺殺美國空軍代表，由羅星明配合龍智捷負責行動任務。但是羅星明總覺得事情有些不對勁，因為按照慣例重大任務之前是不可能有其他任務插進來，結果這次他們竟為一批貨物與青山軍校的人交火，實在是有些反常。
崔文生認同羅星明的觀點，叮囑他繼續觀察，若有情況隨時聯系。經過這段時間，崔文生詢問羅星明對顧盼的看法，羅星明表示她讓自己的刮目相看，如果有機會相信她一樣會為國家和民族做些事情。
黃素梅派人抓住夏恩進行心理審訊，引導她說出埋藏在心里的秘密。夏恩滿腦子都是父母被殺的畫面，正當她不受控制準備講出來，譚仲文急忙趕來打斷審訊。但是黃素梅并未因此放棄，豈料夏恩已經恢復些許意識，將計就計謊稱父母外出郊游被歹徒殺害，成功蒙混過關。
其實早在之前，顧盼已經提醒夏恩提防青山軍校里最有威脅的兩個人，分別是校長蒲叢和副校長黃素梅。因為黃素梅早年留學美國攻讀心理學博士，更是青山軍校出了名的審訊大師，平日里負責每期學員的綜合測量，實則對每位學員進行忠誠度考核，夏恩想要通過審訊就要在謊話里摻著真話，只有無限接近真實的謊言才難以拆穿。
蒲叢臨時開會召集大家，拿出已經搜集的線索進行分析，楊謙全程故作鎮定，待沒人后向譚仲文透露一個秘密，那就是自己曾在現場搜集回來的證物里發現顧盼遺落的耳環，所以猜測在碼頭開槍救譚仲文的人就是顧盼。
在譚仲文的懇請下，楊謙為他分析顧盼最有可能藏身的地方，并且將搜查名單提供給蒲叢時，故意將這個地址放在最后，盡量給譚仲文爭取時間。夏恩躲在門外偷聽談話，直至談話結束才悄悄離開。
隨后譚仲文獨自前往倉庫，想要在青山行動隊找到這里之前確認顧盼是否活著。可惜譚仲文還是爆料身份被龍智捷抓住，龍智捷知道譚仲文曾是顧盼的教官，便讓她來親自審訊。昔日戀人再次見面，已經是對立陣營，譚仲文難以相信顧盼會背叛國家當漢奸，可是顧盼無法吐露自己的苦衷，只能在龍智捷和羅星明面前對譚仲文實施酷刑。