1937年，中华民族进入了最为苦难的一段时期。日寇侵华，血腥的铁蹄踏遍神州，熊熊战火灼烧着祖国每一寸土地。在国难当头的危机时刻，留学多年的数学博士陈家鹄（郭晓冬 饰）携日籍妻子惠子（尹媗 饰）回国，希望奉献自己渺小的光和热。由于他在国外曾对日本的电报密码有所了解，因此陈成了日寇急欲猎杀的目标，也成为国民政府积极网络的对象。经过一番波折，他最终加入国民党军统下辖的密电破译机构“黑室”的一员，虽然憎恨国民党的腐败，但是受制于人的陈仍被迫为黑室工作。在此期间，他和惠子也因身份的特殊屡遭军统刁难。与此同时，我党人员成功打入黑室，为了新中国的建立做着最后的努力…… 本片根据著名作家麦家的同名小说改编。
1937年，中日战火愈演愈烈，国民政府不得不紧急撤离南京，迁都至重庆。陆从骏，时任国防部的二厅特侦处处长，接到一个重要任务——负责国民政府最高机密破译部门，被称为“黑室”。他了解到，“黑室”的灵魂人物
陆从骏和杜先生松了一口气，得知陈家鹄安全无恙。然而，考虑到陈家鹄的重要性和他与一位日本妻子的关系，陆从骏决定不急于将陈家鹄带进秘密地点。为了试探一下情况，陆从骏安排和陈家鹄在一家茶楼见面。陈家鹄刚离开
相井来到中国的任务是重建一个特别行动组，并负责执行刺杀任务。令他意外的是，他的第一个目标是陈家鹄。相井深夜潜入了陈家鹄的妹妹的家中。出于对妹妹深深的关爱，他迟迟不忍心下手。最终，他没有成功完成任务，不
陆从骏紧急要求陈家鹄马上加入“黑室”工作，但是陈家鹄仍然无法接受军统人员的残暴行为。一天夜里，陈家鹄离家不归，家人急得找来李政和石永伟四处打听消息，同时惠子也搬回了陈家。与此同时，“黑室”培训班正式成
闰少秋匆忙跑向杜先生的府邸，将陈家鹄的绝食抵抗消息透露给了他。陆从骏和杜先生闻讯后感到无措，彷徨不知所措。然而，聪明的林蓉蓉却抓住了第一次与陈家鹄交流的机会，毫不犹豫地向他传达了支持和鼓励。为了加
陈家鹄对密码有着浓厚的兴趣，上课时表现得心不在焉。他在生活中的独特行为也使他与“黑室”学员格格不入。对陆从骏来说，他已经忍无可忍陈家鹄的无所作为了。于是课后，陆从骏找到陈家鹄，并威胁他要端正态度，为“