1937年，中华民族陷入了日寇侵略的残酷时期，国家危在旦夕。在这个关键时刻，数学博士陈家鹄（郭晓冬 饰）返国，希望能为祖国贡献自己的力量。由于他熟悉日本的电报密码，成为了日寇迫切想要捕捉的目标，并成为国民政府秘密网络的对象。陈不得不加入了国民党军统旗下的秘密破译机构“黑室”，尽管他心中对国民党的腐败感到厌恶，但他同样被迫为黑室工作。在这个过程中，他和日籍妻子惠子（尹媗 饰）也屡遭军统的骚扰。与此同时，共产党的特工们成功渗透进入了黑室，为了新中国的建立做出最后的努力……这部电影改编自著名作家麦家的同名小说，