1937 年，那是一个充满硝烟与苦难的年份。在这一年，南京这座历史悠久的古城不幸沦陷，国民政府在局势的逼迫下，不得不迁都至山城重庆。自此，抗日战争进入了最为艰难、最为残酷的阶段。

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留洋多年的数学博士陈家鹄（郭晓东 饰），怀着一颗炽热的爱国之心，在日寇疯狂入侵、国土大片沦丧的危急时刻，毅然携自己的新婚日本籍妻子——惠子（尹媗 饰）回国。他满心期望能够凭借自己卓越的一技之长，为处于水深火热之中的祖国贡献自己的力量。然而，他却不曾想到，自己那令人惊叹的数学天赋，以及在国外求学时曾误打误撞破解过日本密电源码方程式的过往历史，早已被日本谍报机构和国民党军统牢牢掌握。

国民党军统欲组建一个专门针对日本军方密电的破译机构——黑室。陆从骏（胡军 饰）上校在经历了重重艰难考验之后，被任命为黑室的负责人。在陆从骏的眼中，陈家鹄无疑是破译密码的最佳人选。但是，早已知道政府腐败无能、对国民党当局缺乏信任的陈家鹄，面对军统的力邀，果断地拒绝合作。这一拒绝，却引来了黑室负责人陆从骏的绑架。

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陆从骏为了确保黑室的绝对安全，可谓是不择手段。他不断地制造误会，甚至不惜残忍地拿掉惠子腹中的孩子，以此来离间陈家鹄夫妻之间深厚的感情。后来，陈家鹄参加父母的葬礼之时，竟遭到日特的伏击。在那混乱不堪的局面之中，陆从骏却出人意料地奋不顾身，挡住了射向陈家鹄的子弹。这一系列的事件，让陈家鹄对黑室和国民党彻底死心，心中萌生了离开黑室的强烈念头。就在这个时候，他得到了一个令人振奋的消息，自己的妹妹家燕已经到达了延安。

陆从骏中了相井的离间之计，开始在黑室内部大力排查泄密汪精卫出逃消息的人。为了保护陈家鹄，林蓉蓉（孙宁 饰）不断地涉险，然而不幸的是，她的行为引起了陆从骏的深度怀疑。李政和林蓉蓉为了商议转移陈家鹄而接头，却被陆从骏的爪牙发现。在这危急关头，被安排在黑室内部的一个连李政、林蓉蓉都不知道的三重保险——徐州，果断地将爪牙除掉。

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陈家鹄在黑室中不断地目睹国民党疏于抗日，而共产党人徐州、林蓉蓉却为了坚定的信仰和民族的重大利益不惜牺牲自己的生命，这一强烈的对比让他受到了极大的触动。在黑室命令他监控延安电台并破译电文的任务之时，陈家鹄坚决地拒绝破译，还主动向延安电台发出预警电报，成功地挫败了国民党的阴谋。

最终，陈家鹄正式提出要离开黑室。黑室的高层因为恐惧陈家鹄会投奔共产党，恼羞成怒地要除掉他。在李政的全力帮助下，陈家鹄历经艰险，成功出逃。