1940年，作为反法西斯战争最重要战场之一的中国战场，进入到中日双方相持阶段。为加快对中国的侵略，日军正秘密策划一场骇人听闻的细菌战，为此日军决定加快细菌武器的研究。只身从南京大屠杀逃生的医生金深水，流落到日军设立的“保甲模范区”桃花镇。金深水无意中救了生化专家白大怡，不料却是一系列波谲云诡事件的开端。桃花镇歌舞升平的面纱被逐渐掀开，惨无人道的细菌人体实验、恐怖致命的人脑控制药物实验等一一浮出水面。在党组织的指导下，金深水巧妙地周旋于狡猾如狐的敌人中，几度出生入死。最终，在对日军同样有着国仇家恨的女医生林婴婴以生命为代价的掩护下，金深水联合新四军、游击队，彻底消灭了桃花镇的日军，同时揭露了日军利用人体进行细菌实验的种种罪行。金深水更从一个普通爱国青年成长为一个优秀共产党员。
20世纪40年代初，国党军密码专家、懦弱的白大怡被日军诱捕，被迫为日军服务。他无意中发现了一个惊天秘密：日军正在秘密研制一种大规模用于中国儿童的特殊药物，服用者将大脑萎缩，破坏神经组织，心甘情愿被奴役。良知未失的白大怡决意揭穿阴谋，他以故意被“暗杀”而牺牲自己的方式把此秘密传递出去。没多久，延安、重庆均获得了日寇这一险恶计划。延安方面启用了多年潜伏在国民党军统的高级特工林婴婴， 重庆方面则启用了高级特工金深水，以粉碎日寇的阴谋。金深水、林婴婴从此和川岛野夫、小野为首的日军反谍报人员殊死较量。在共同战斗中，林婴成功地策反了金深水加入共产党。金深水在林婴婴牺牲之后，完成了历史使命，粉碎了日寇的阴谋，并公之于全世界。
1939年春内蒙拉尔，中共党员、苏军远东情报局上校情报官苏文执行“尖刀行动”，把价值连城的密码机送到日军手中，经过处理的情报也送给敌人，让敌人产生信任和依赖，在关键时刻供给敌人一份假情报，使密码机发挥极致作用，给敌人致命一击！苏文按照计划被捕，但拒不交出密钥，他的日本士官学校同学佐佐木特务机关长，将苏文的“妻子”费丽莎医生绑架，逼迫苏文就范。此时，阔别15年苏文的妻子敖梅意外出现，打乱了布局，费丽莎刚愎自用被敌人利用，几乎毁掉了整个行动计划，更可怕的是佐佐木通过蛛丝马迹，几乎猜到了真相，抓捕了地下党关键人物及费丽莎和苏文的女儿卓雅，用几个人的性命对苏文进行胁迫。最终，苏文斗智斗勇利用敖梅这个“局外人”完成了任务，粉碎了敌人重大阴谋。
