一九三八年秋，東北日本特高課總部的課長土肥原賢二接到一封軍部一號發來的緊急來電，命令他全力保護可以一舉改變整個戰爭進程、進而迅速實現其大日本帝國夢想的“餓蟒行動”，土肥原賢二看到電文尾部“甲級絕密”四個字，舉槍殺死了惟一知情的日本女報務員。在哈爾濱某酒吧做服務員的國民黨軍統女特工冷月，被日本間諜盯梢和跟蹤，身為訓練有素的軍統特工，冷月警覺的幾番測試有無被跟蹤，豈料后面跟蹤的日本間諜非常老到，連著三次變換行裝，最終摸到了軍統的一個秘密據點。就在他打電話通知總部派人來抓之時，電話亭的玻璃上映現他的身后出現一個戴著禮帽和墨鏡的人影。女扮男裝的中共特情人員柳葉飛將日本間諜當作見面禮送給冷月，并說服冷月借用軍統的發報機發送了一個緊急電報：“老鼠”即將上岸。由于叛徒的出賣，上海地下黨遭到嚴重破壞，柳葉飛接到指令，前往上海執行秘密任務，獲取日本特使攜帶的秘密計劃并暗中調查和清除黨內的叛徒。重慶軍統局二處的處長戴笠此刻也獲知日本特使負有秘密使命，速派特派員林少鋒前去領導上海軍統調查此事。柳葉飛與林少鋒在客輪上相遇、相識，林少鋒對柳葉飛暗生情愫。柳葉飛到達上海，即刻與接頭人取得電話聯絡，并前往接頭地點霞飛路濟民藥店接頭。當她走進藥店，街上幾名扮作賣香煙和路人的日本特工盯上了她。原來，由于叛徒的出賣，濟民藥店這個聯絡點早已暴露，日特為了放長線釣大魚，沒有進行抓捕，而是采取秘密監視，毫不知情接頭人馬掌柜向柳葉飛布置了任務。上海特高課課長伊藤，通過安插在中共上海地下黨的“菊劍”，一開始就得知了柳葉飛的身份，根據“菊劍”對柳葉飛的特殊了解，他決定采取計策，激化柳葉飛的性格弱點，得為己用。于是，與柳葉飛長相酷似、日本駐上海領事安森的養女、柳葉飛的雙胞胎妹妹美惠子被調往上海，經過美惠子槍殺共產黨人員等幾次設計縝密的假象，成功地讓中共地下黨懷疑柳葉飛是日本奸細，并對其展開逮捕與鋤奸，“受不得委屈”的柳葉飛在心愛之人大師兄江濤和同志們的逼迫下，為了澄清自己，說出了自己的真實身份和秘密行動，以及接頭人和接頭地點。然而，正當地下黨人員前去求證之時，馬掌柜卻早已接到神秘人的線報，秘密失蹤。柳葉飛的嫌疑不僅沒能排除，反而更加說不清，這使得柳葉飛對共產黨的信念產生了“動搖”，一怒之下要求退黨。在密友小梅的幫助下，她逃脫了拘押，走上了與共產黨和軍統不相干的愛國之路。其實，身為中共高級特工的柳葉飛早在一下輪船，就感覺到被一個神秘人跟蹤，在進入藥店之前，她敏銳地發覺了敵特的監視人員，就明白自己和聯絡站已經暴露，根據種種跡象她猜到兩個師兄其中有一個是叛徒，也猜到了敵人的詭計，她未動聲色，決定將計就計，故意放大自己以前的性格弱點——脾氣倔，受不得委屈；然后便一步步按照敵人的計劃部署走，走向日本人設定的結果。通知馬老板轉移的神秘人正是她，因為她知道自己一旦說出馬老板，日本人定會對馬進行逮捕，好繼續讓她承受不白之冤。在別人眼里，她是一個被愛迷昏了頭腦的女人，她的種種言行，以及表現出對江濤的依賴，讓日特對她放松了警惕，以為她的一切都在掌握中，甚至還暗中協助她糾集幫會的勢力，在敵人的陰謀鼓動下，軍統與上海地下黨都認定她是漢奸，想盡辦法追殺她，她也因此慢慢接受日本人的拉攏，取得了日本人的部分信賴，直至后來出現了讓日本人棘手的神秘人，敵人沒有想到會是她。柳葉飛正是利用這種安全的身份暗中繼續自己的偵查，先是發現了大師兄江濤的通敵，直至最終查出了潛伏得更深、誰也沒有想到的真正的“菊劍”——副書記梁超。柳葉飛之前癡情的深愛著江濤，后來得知了江濤就是叛徒，并是殺害自己師傅的兇手，她由愛轉很，但為了掩護自己，她按照組織要求，繼續很痛苦得跟他談戀愛，包括談婚論嫁，博得他的信任。同時這種假象也讓愛她的林少鋒極為痛苦，而柳葉飛也不能挑明。最終她親手血刃了這個叛徒。柳葉飛在被誤解時期得到林少鋒的多次救助，兩人慢慢產生了感情，當兩人得知各自分屬不同的政治派別的真實身份后，彼此明知道不能也不允許與對方產生感情，但卻無法控制自己，愛情甜蜜而又痛苦。對日本人代號為餓蟒行動之真相的偵查幾經波折，日特為了保障行動的順利實施，制造和釋放了多個假計劃和煙霧彈，先是刺殺蔣介石的行動、再是對蔣介石的誘降以及對重要國民黨要員的收買計劃、還有臺兒莊戰役作戰計劃、上海戰略軍火庫的建設等，幾次以為揭示了“餓蟒行動”的秘密，又發現都不是；任務每當要完成又出現新的情況與疑點，期間柳葉飛發現了諸如勞工沒有一個人活著出來、河流發臭、死魚、軍火庫戒備森嚴、軍火庫里并沒有軍火或只有許多過時的槍支、敵人用人體做了一個小范圍產品抽樣檢驗、輪船運來的原材料、大批轟炸機進駐上海、發現敵人研究風向的報告等很多可疑的端倪，終于層層揭開了“餓蟒行動”的神秘面紗。原來，“餓蟒行動”真正的執行領導者不是引人矚目的特使，而是在特使的隨行人員中間的一名日本著名化學家，他研制成功了一種高致命的化學武器，此化學炸彈不同于一般的毒氣彈，擴散力強，在空氣中將久久彌漫，幾天后才會散去，現有的防毒面具對它不起作用，人畜吸入后將立刻嘔吐，然后七竅流血，缺氧而死。敵人以新建軍火庫為幌子，其實是在軍火庫的地下建造秘密生產基地。將生產制造500噸此化學武器，通過轟炸機攜至重慶和戰場前線上空拋下，在空氣中擴散，一舉消滅中國的政治中心和抵抗意志。日軍直接從實驗的最終步驟——人體實驗開始，拿活人做試驗。柳葉飛發現真相之后，與中共地下黨以及以林少鋒為首的上海軍統展開合作，采取了一系列措施來摧毀敵人的地下工廠。他們幾次化裝成勞工或化學家企圖想要進入地下工廠均遭失敗；選擇動用國民黨軍方的飛機轟炸其地下制造儲藏基地，將所有化學炸彈埋入地下，結果轟炸機被空中攔截和擊落，飛行員即將被捕，需要盡快行動；他們企圖用炸藥炸毀地洞，可至少需要幾十噸TNT才能炸毀那個地下基地，他們無法在敵占區籌集很多的炸藥；最后經過重重困難，想盡一切辦法，他們最終選擇用火攻。柳葉飛扮作美惠子偷偷潛伏進入地下工廠，找到了地洞的通風管道，灌入石油，殺死了那些滅絕人性的日本科學家，毀滅了秘方，一舉徹底毀掉了那些生化武器……任務完成，柳葉飛奉調回根據地接受新任務，這時林少鋒接到命令，約柳葉飛出來勸其歸順，如果拉攏不成，讓他殺死柳葉飛，除掉后患。并由其他軍統特工監督，如果他不動手，你們就動手。林少鋒最終沒有動手，反而將柳葉飛救走，一對戀人依依惜別。時隔多年，柳葉飛接到任務去一個舞會與同志接頭，發現接頭人竟然是林少鋒，喜極而泣，兩位高級特工在舞會上相互掩護，巧妙地完成了刺殺敵人的任務。

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