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。
对手剧照
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。
危急时刻，惠子以精准的枪法掩护芳子离去。孤军奋战的惠子准备与王浦江做鱼死网破的最后一搏，正当她准备举枪自尽时，芳子率接应的日军间谍赶到。被惠子打伤的王浦江只能眼睁睁看着惠子被同伙抢走。
根据惠子和芳子的情报，日军参谋本部决定了具体的登陆地点。但同时他们也意识到，中国方面已经破译了已方密码，进攻时间必须提前。
日本东京，日军情报部密码所。密码所所长高桥大佐找到密码专家山本康夫，命令他在一天之内研制出新型的密码。女儿生死未卜，沉浸在痛苦中的山本康夫断然拒绝。高桥警告他，正是因为他的疏忽才使中方顺利的破译了密码，如果不能有新的密码代替，他将被送上军事法庭，而他的妻子――因坚持反战立场而被监禁的青田秀的后果更会不堪设想。为了妻子的安全，处于矛盾的他被迫接受了任务，并在第一时间研制出了新的密码。
同一时间，中方的密电所也截获了日军用新型密码发出的电报，黄永青找来了自己最好的学生郭忠良加入了破译，所长文为均在密码中找到了某种似曾相识的感觉，他很快意识到，日军的新型密码正是自己的大学同学和挚友山本康夫的杰作。凭着他对山本康夫的了解，三人很快地破译了电文中的内容――日军将在十一月十日凌晨在杭州湾登陆!
这次张诚将军已经确信无疑，他通知林忠强的部队迅速赶往杭州湾救援，并排派遣三个师火速赶往登陆地点。
为了保证登陆计划的顺利实施，日军提前动作，在大批军舰，和飞机的掩护下，日军在杭州湾北岸的全公亭、金山卫等地同时登陆。中方的驰援部队却没有及时赶到，致使登陆日军的数量越来越多，两天以后，终于对松沪一带的中国军队形成了战略包围。
与此同时，日军参谋本部决定，将上海派遣军与新编第十军组合为华中方面军，共30万人，松井石根大将为司令官，力图围歼集结在松沪地区的中国军队。腹背受敌的中国军队开始大规模撤退，11月11日，上海沦陷，南京局势告急。
此时的林忠强已是寡不敌众，杭州湾所有阵地都告失守，守军已全面撤退，上级命令35师，立刻撤出战斗，火速赶往南京城外，保卫南京城!
恰在此时，山本康夫随同表兄山本五十六来到中国参加两个女儿的授勋典礼，看着两个被军国主义情绪感染的女儿，山本康夫心情复杂，日军情报本部决定将她二人留在中国继续下一步的军事行动，此时，山本康夫的思绪已飘回二十年前……
1917年，第一次世界大战席卷欧洲，而此时的美国本土却是一片祥和。
来自日本的留学生山本康夫和来自中国留学生文为均是美国普林斯顿大学数学系的高材生，同窗四年，情同手足，但两人却同时喜欢上了出身日本贵族世家的文学系才女青田秀。微妙的关系让三人陷入了痛苦的抉择。为了得到青田秀的爱，山本康夫决心在学业上与文为均一较高低。导师兰斯教授提出数学难题，山本康夫以青田秀为赌注，如果他赢了，文为均就不能再见青田秀。面对挑战，文为均被迫答应，谁知青田秀的突然来访.原来，山本康夫将向青田求婚，文为均面前，青田秀将自己对他的情感袒露无疑。一边是同窗挚友，一边是心爱的女人，文为均没能给青田秀答复，他陷入痛苦的抉择中。
