《谍影重重之上海》以30年代纷繁复杂的大上海为背景，讲述了两位从军校毕业后却走上截然不同道路的生死之交。故事发生在上个世纪三十年代的上海，这个号称“东方巴黎”的中国东方大都市酝酿着重重危机。
1936年的一天，上海“大世界”的舞台上，著名京剧票友邹凯林正在如醉如痴地表演着，他的一招一式博得台下观众阵阵喝彩。一折戏过后，邹凯林刚进入化妆间，几只手枪逼住了他，他们是国民党军统上海特别行动组成员，奉命抓捕邹凯林，身手不凡的邹凯林摆脱了包围，带着戏装跑到了街上，无奈对方已撒下大网，邹凯林被俘。
邹凯林的真实身份是中共上海地下党情报六局的行动科科长，他的被俘一时间使中共地下党组织陷入被动，他们立刻行动，撤销联络站、转移家属、制定营救方案，中共上海地下组织情报六局三科负责人向亦鹏(李光洁饰)主持此项工作。指挥抓捕邹凯林的正是向亦鹏的好友，黄埔军校同学，国民党军统驻上海特别行动组组长阎天(廖凡饰)，而向亦鹏的公开身份是上海东亚大酒店的经理。
谍影重重之上海剧照
向亦鹏与阎天虽然属于不同的党派，在暗地里干着对立的行为，但这些并没有妨碍两人成为好朋友，他们两人有个共同的女友林璇(秦海璐饰)，三人在儿时是好伙伴，有着相同的少年时代美好的回忆，林璇此时的身份是日本某报驻上海记者，日本特务机关驻上海站负责人芥川(俞洛生饰)的养女、助手，闲暇时三人常常徜徉在各种社交场合，尽情享受着美好的友谊与青春时光，阎天深爱林璇，而林璇却钟情于向亦鹏，向亦鹏因使命所系，又在不断地回避着这份情感。 中共上海地下组织交给向亦鹏一项特殊任务，因为我地下组织得到情报，我党安插在日军海军驻沪军部的卧底山田一夫受到日军情报部驻沪特务头子芥川的怀疑。组织上安排向亦鹏离开三科的领导岗位，去做一些外围的传递文书的工作，以此来引起芥川的注意。一个深夜，一双神秘女人的手悄悄地卸下了芥川枪中的子弹，随后在另一间房里，还是这支纤细的手，按动着发报机的按键，把这首古诗发了出去，这边向亦鹏他们接收着电文，向亦鹏等人很快从这首古诗上找到了端倪，那只“纤细的女人手”也揭开了神秘的面纱，她就是林璇，中共高层特工组织安插在日本特务机关头目身边的高级特工人员，她的人任务是长期潜伏，在关键时刻可以独立行动。
林璇与向亦鹏分别接受了新的任务，他们何时才能在聚首，他们的能否圆爱情之梦?也许永远不可能，因为他们的祖国正承受着灾难。
