1937年8月，淞沪会战开始，中日战争全面爆发。中日双方投入重兵，激战一个月后，双方均伤亡惨重，战事呈胶着状态，日本“三月亡华”的计划落空了。
为了快速解决战斗，日军参谋本部决定，增派三个师团与海军协同作战，在杭州湾北岸登陆，从后面包围中国军队。作战命令以最新设计出的顶级军事密码发给了上海派遣军松井石根大将，同时派遣特务侦察登陆地点中国军队的防务，做好登陆的先期准备。
但此时杭州湾北岸已成军事禁区，几批日本特务都无法靠近。日本情报部紧急调来刚刚从间谍学校毕业的王牌间谍山本芳子和山本惠子，准备将这对姐妹花空投战区。姐妹二人正是日军军事密码的研制者――东京帝国大学数学系教授山本康夫的女儿。
一心只想成为伟大数学家的山本康夫，为了保护因反战而被囚禁的妻子青田秀的安全，不得不与日本军方合作，用他的数学天赋为军方制订一套全新的密码系统。参谋本部内，小川将军在布置作战任务，惠子认真地听着，心事重重的芳子却溜了出去给母亲青田秀打去了电话。得知了女儿要上前线的消息，突如其来的打击使山本夫妇陷入了痛苦，这天正好是女儿们的18岁生日，但她改变不了女儿的命运，只能在后方为她们祈祷……
与此同时，在南京成立不久的密电所内，所长文为均与学生黄永青正在破译刚截获的日方密电。面前有如天书的密电使二人遇到了前所未有的难题。此次截获的电文是一套全新的密码系统，文为均判断，这次截获的密电保密系数如此之高，其中一定隐藏着日军最高的军事机密，而密码的设计者一定是位顶尖的数学天才。最后在他的提示下黄永青最终破解了密码，电文内容正是日军登陆杭州湾作战的详细计划。事态紧急，两人急速将结果紧急送往军委会。
军委会最高长官张诚将军对此非常重视，立刻召开军事会议，但对于这份情报的真伪却难下定论。面对军方的犹豫不决，文为均和黄永青愤然离去。而此时张将军所考虑的是，如果情报属实，国民政府也面临着无兵可调的局面，只有35师驻扎在杭州湾附近。于是他向35师师长林忠强发出了批示，命令林忠强密切关注日军动向，一旦有变，火速驰援杭州湾。同时，军委会调查局行动处副处长王浦江也奉命带领搜索队火速赶往杭州湾搜索日军间谍。
林忠强和文为均是在美留学时的老友，对于他提供的信息，林忠强更是深信不疑，全师处于一级战备状态。此时，惠子和芳子已成功登陆杭州湾附近，她们扮成中国农家姑娘，操着熟练的汉语，顺利通过几道警戒线，来到杭州湾岸边。她们潜入当地守军的指挥部，通过获取的资料掌握了中国军队的数量和防务地点，他们正准备离开，被刚刚赶到的王浦江发现，双方展开了激烈的交火。
