故事发生在一九三八年到一九四五年的中国东北。

一九三九年新年的前一天，身为共产党特工的周乙和假扮他妻子的顾秋妍在火车站接头。周乙真正的妻子孙悦剑被组织派来成为新的联络人，她与周乙见面并告诉他近几日会有电台、药品运送到山上。

负责运送药品的老汪在路上中弹被特务科的人抓获，另一人小董则驾马车往山里运送药品。特务头目高科长得到线索集结队伍来到孙悦剑住的旅馆，前来报讯的顾秋妍截下了携电台回旅馆的孙悦剑。小董和运送药品的马车被一伙不明身份的人劫持。顾秋妍不听周乙的命令将给山上的电报发了两遍，差点暴露。由于接不到抗联电台的回复，顾秋妍心急如焚。她自作主张找到了丈夫的弟弟张平钧擅自行动，差点暴露身份。

没有任何地下工作经验的张平钧和自己的女友一起被佳木斯特务机关抓获，后被转回哈尔滨警察厅特务科。

周乙和顾秋妍在高科长的严密布控下成功发出一条长电报。在特高科的强行逼供下，张平钧至死没有供出顾秋妍的下落。周乙查到了松花江码头上的黑帮关大帅与土匪有密切联系，得知了药品和被绑人质的下落。

周乙利用日本宪兵队的压力调查关大帅，在日本高层的干预下，彻底打击了关大帅在码头的势力。高彬周乙等人随军队进山剿匪，在双方激战的过程中中，土匪头子被打死。

周乙在对小董的审讯中，了解到他是一个真正可靠的人,小董在警察厅经受住了各种考验。顾秋妍光顾瓦西里耶夫开的俄罗斯餐厅并获得了其好感，确认了了“乌苏里虎事件”的情报。周乙怀疑神秘女人的丈夫老邱是潜伏在抗联内部的奸细，事实也是如此。周乙设计除掉了两人。损失了两名手下激发了高科长的决心，新一轮特务科内部查找奸细的行动开始了。

周乙和顾秋妍冒着生命危险，向苏联境内拍发了乌苏里虎计划的有关细节，两人在深林发送信号时遭遇极大的险境，顾秋妍不知所踪。

周乙将逃过一劫的顾秋妍接走，并送她和久别的丈夫张平汝团聚。数天后，苏联情报机关阻止了试图震惊世界的“乌苏里虎计划”。为找出潜伏在警察厅的共产党特工，高彬派人全面监听每位下属的电话。

高彬有意把目标引向刘魁，让他做一个诱饵或者试剂，找出特务科卧底。面对狡猾的对手高斌，周乙找到了证实刘魁无辜的证据，搅乱了高斌的反奸计。高斌自行将周乙从怀疑人员的名单中勾掉。

秋天到了，顾秋妍生下了一个孩子莎莎。周乙与顾秋妍的假夫妻生活也是越过越真，但二人都忠于各自的家庭。

高彬为挖出周乙的真实身份已经层层部署，周乙和顾秋妍对即将来到的大搜捕充满了担忧，却对营救党内同志无能为力。莎莎晚上起夜闹着哭，只有周乙抱着才能止住哭声。

高斌遇刺后苏醒，周乙与顾秋妍同去探望却遭遇汽车爆炸案。五年后。日本空军轰炸奉天，顾秋妍在防空洞偶遇孙悦剑。周顾夫妇更加意识到谍报战斗和生存处境的凶险。

周乙和顾秋妍在这种假夫妻的关系中越陷越深，除了他们没有同床共枕，两个人的关系，越来越真实。两人各自为了各自的真正丈夫和真正妻子翻脸吵架，又和解。

周乙感觉到高斌已经对自己产生了深刻的怀疑。孙悦剑和顾秋妍舍生忘死，把周乙从悬崖边上解救回来。

周乙的危险就要过去的时候，一位没有接到转移通知的同志老纪在孙悦剑家门前被埋伏在那里的特务抓住了，而且这位老纪竟然认识周乙。

老魏营救张悦剑失败，周乙找到了也潜伏在日伪内部的国民党特工头目陈景瑜，表明了自己的身份，要他把老纪和张悦剑要出来。

陈景瑜了如约来到宪兵队，张悦剑成功获救，但老纪已经被宪兵队枪决掉了，周乙终于平安带回了张悦剑。老魏告诉周乙一个好消息，他的特工生涯即将结束。

周乙即将告别特工生活，但顾秋妍和莎莎要留下来，周乙担心不已。周乙告诉陈景瑜，想要不被高斌发现，要先下手把日本人的怀疑引向高斌。鲁明觉察到不对头，派人跟踪了周乙，并把自己的怀疑告诉高斌。高斌闻之大惊，准备阻拦周乙。

周乙抛下顾秋妍妻女，冒险将孙悦剑和亲生儿子送出边境。顾秋妍母女在火车站被特务发现，女儿莎莎被人带走。

谨慎一生的周乙不能坐视顾秋妍和孩子落入虎口，他毅然回到哈尔滨家中，两人在监听器前联手上演了一场丢子争吵的好戏。周乙将自己的生死置之度外，决定让顾秋妍假投降告发自己。

顾秋妍遭受了一系列酷刑，假装无法坚持而告发周乙。周乙赴死前要求和女儿莎莎见上一面，父女伤感诀别。漫天风雪，周乙的生命走到了终点。