1948年春，南京。
中共情报人员程光明为追查敌特工，与一直潜伏在保密局南京站的情报人员“孤雁”恢复联系，但接头时发生意外，“孤雁”李梅脑部受到重创而部分失忆，她只记得自己是保密局南京站二处侦防科科长，却忘记了自己共产党员的身份。程光明故意落入敌手，试图寻找机会帮李梅找回记忆。
李梅在审讯程光明的时候，被导向了一个未知的世界，李梅开始调查自己，渐渐找回自我。在程光明的引导下，她拼凑起零零碎碎的人生，确认自己就是中共潜伏在保密局南京站的情报人员，代号“孤雁”。
电视剧孤雁剧照
恢复记忆后，李梅坚持要营救程光明。此刻保密局南京站站长胡一夫以程光明作诱饵，正暗查潜伏者。而二处处长孙立德也始终怀疑李梅是共党潜伏者的最大嫌疑人，对李梅进行了秘密监视。李梅与敌人斗智斗勇，几次险象环生。李梅接受华东局社会部派遣的新领导人“大姐”的任务，找准时机将参与秘密组织“铁血救国会”的中央陆军大学战术教官高峰吸纳进党组织。期间她与高峰出生入死，两人擦出了爱情火花，结为连理。高峰听从组织的安排，决定起义，开始秘密行动。已经掌握了李梅作为中共潜伏人员的证据的胡一夫，为防止高峰起义，准备暗中将高峰等起义领导者就地正法。最终李梅成功瓦解了胡一夫的计划，协助高峰率部宣布起义。
凌晨，解放军百万雄师渡江，南京解放。
