1937年，中华民族进入了最为艰难的一段时代。日寇入侵中国，残暴的铁蹄踏遍神州大地，熊熊战火吞噬着祖国的每一寸土地。在国家面临巨大危机的时刻，留学多年的数学博士陈家鹄（郭晓冬饰）带着日本妻子惠子（尹媗饰）回国，希望能为国家做出微薄的贡献。由于他在国外对日本的电报密码有所了解，因此成为了日寇追捕的目标，也成为了抗日政府积极追捕的对象。经历了一系列曲折的经历，他最终加入了抗日政府军统下属的密电破译机构“黑室”，尽管对抗日政府的腐败感到愤慨，但是受制于现实的陈家鹄被迫为黑室工作。在这期间，他和惠子也因为特殊身份屡遭军统的刁难。与此同时，中国共产党的成员成功潜入黑室，为了新中国的建立做出最后的努力……本片根据著名作家麦家的同名小说改编而成。