抗战初期，国民党要员纷纷投敌叛变。军统上海站站长侯坤的投敌，导致上海站几乎全军覆没。日伪气焰十分嚣张。军统高层指派顾雪峰为新任军统上海站站长，赴上海组建代号“十三钗”的女子别动队，以完成抗日锄奸的特殊任务。十三钗中的大部分成员早先已安插在上海，以各种职业身份作为掩护，她们相继被唤醒，只有十三钗一号人物始终未能找到。

共产党员郭春光受中共地下组织指派，在锄杀汉奸和搜集情报的过程中，他与十三钗建立了联系。他救下了军统上海站副站长万木林，从而取得了军统的信任。郭春光利用牙医身份做掩护，凭借自己的勇敢和智慧，和十三钗并肩战斗，多次出手援救十三钗。十三钗行动队长李凤凰身手不凡，率直泼辣，率领众姐妹纵横上海滩，令日伪闻风丧胆。

随着行动的展开，郭春光发现日军的“蒲公英计划”疑云重重；锄奸对象大汉奸邹博庵与顾雪峰是师生关系，两人斗法难分胜负；迟迟不曾出现的十三钗一号人物，很可能就是上海第一交际花，武田正治的座上客徐子晏，她极为低调神秘，不知道担负怎样的使命，郭春光决定一路跟随下去理清所有谜团。

十三钗的锄奸行动在风风火火地进行，郭春光逐渐解开迷团，日军的“蒲公英计划”如果得手，日本间谍将如瘟疫一般潜伏进抗日队伍中，必须想办法搞到情报交给组织！更为严峻的是，军统上海站长顾雪峰被捕，经不起诱惑，叛变投敌。十三钗命悬一线。

长期的相处，使郭春光在队伍中树立起威信，成为十三钗的实质领袖，也让李凤凰看清顾雪峰的为人，与郭春光慢慢走近。郭春光不再低调，他运筹帷幄，意志坚定，保护大家，在他的领导下，十三钗逃过了日军的追杀和陷阱，成功得到日军的“蒲公英计划”，并进入天长节会场——虹口公园，经过殊死较量，终于破坏了天长节的举行。

十三钗成员无法原谅老长官顾雪峰的出卖，而且顾雪峰多活一天，对十三钗就多一分危险。郭春光毅然领导十三钗锄杀汉奸顾雪峰。徐子晏是顾雪峰的旧情人，在旧情和大义之间艰难选择亲手杀死了昔日恋人顾雪峰；十三钗历经艰险，被中共地下党接到后方，踏上一条崭新的人生道路。而郭春光在危急关头救了李凤凰一命，倒在即将成功的最后一刻，用生命诠释了信仰和忠诚的含义。