1937年，随着卢沟桥事变的爆发，中国开始了为期八年艰苦卓绝的抗日战争，而此时的国民政府内部却出现了严重的分裂，以国防最高会议副主席、国民党副总裁汪精卫为首的亲日派打出了曲线救国的口号，主张投降日本来换取和平，并于1938年冬离开重庆，积极与日本人接触，准备另立政府。为了阻止汪精卫的投敌卖国，重庆政府命令军统局组织了一次针对汪精卫的锄奸行动，代号鱼刺行动。
汪精卫也担心背负千古骂名，但还是和日本人达成协议，鱼刺行动组长贾正带队赶往目的地执行刺杀计划，他们的真实姓名来自金陵十二钗中演变而来，任务失败将会面临杀无赦的情况。鱼刺行动成员被日军包围，一部分成员被日军抓获，她们通过唇语取得联系，她们清楚做特工的不能被敌人抓住活口，她们以自杀式的方式赢得了撤退时间，但仍有成员在战斗中牺牲。
逃出去的几名女特工驾驶日本军车离去，日军发现死难人员身上的玫瑰刺青。日本人为了汪精卫的安全还特意给他安排了替身去参加晚上的庆功酒会。戴笠得知鱼刺行动失败后十分生气，他命人对行动的全体成员执行杀无赦的命令。
铁血玫瑰剧照
日军对逃走的女特工不断追击，她们只好分散突围，突围途中将搜索的日军逐一解决，丛林作战是她们的特长，她们成功逃出日占区。汪精卫亲赴上海参加酒会的消息在上海传开，赵滨鹏得知十二金钗有人回去后对她进行突审，戴笠判断活着的人之中肯定有叛徒，他让赵滨鹏一定要谨慎，还要处决活着回来的人。
赵滨鹏带人要处决两人时被她们制服，她们趁机逃走，戴笠得知情况后十分吃惊，他通知各地军统站追杀十二金钗的幸存者。幸存者得知汪精卫要去上海时准备前去刺杀，八路军也得知她们被军民统追杀，组织上派杨子江和史万春保护她们安全。
在赵滨鹏的帮助下王凤和林黛逃离重庆，向上海进发准备刺杀汪精卫证明自己的清白。而秦可、薛钗和史云也抱着同样的想法来到上海。可是汪精卫去了南京。此时，上海租界的情况十分复杂，各种势力龙蛇混杂。为了打击租界里的反日势力，日本军部在上海成立了76号，并由汉奸黄群担任76号的副主任。地下党员宋博混进日本报社《读卖新闻》当记者。宋博的表妹红霞在上海的《申报》工作，她非常崇拜抗日热情很高的主编许达。上海军统站的站长余利，整日欺上瞒下，中饱私囊。
由于日本士兵不能进入上海的租界，租界成了抗日的孤岛。王凤决定先除掉一些汪精卫身边的汉奸，首先九.度网.电视.剧频道和林黛一起刺杀了日本人伊藤和汉奸刘怀志。日本人派出老牌特工阿部正南担任梅机关的副机关长并领导宪兵队主持上海的日占区和租界事物，宪兵队的行动课长平田冈正是阿部正南以前的学生，师生见面非常高兴。
王凤和林黛杀了伊藤和刘怀志后在上海滩引起轰动，而申报上一篇署名雷神之锤的文章对王凤和林黛的行动进行了详细的报道并给她们取名夺命金钗。余利借机发报邀功，不过戴笠并不相信是余利所为，派燕青山担任特派员到上海调查余利并让燕青山和另一条暗线教授联络共同追杀王凤等人。红霞认为表哥宋博在日本报社当记者是属汉奸行为，多次吵着让宋博离开《读卖新闻》去《申报》工作，宋博不肯离开。
上海宪兵队情报课长大岛惠子在阴暗的会议室里为大家讲解每个金钗的特长，阿部正南和平田冈坐在下面观看。宋博被主编指派到76号找黄群解决报纸销量问题，出来的时候巧遇大岛惠子和平田冈，原来大岛惠子是宋博在日本留学时的同学，大岛惠子一直对宋博情有独钟，两人见面很高兴，却引来平田冈的妒忌。阿部正南得到消息，夺命金钗各自为战，命令大岛惠子一定要在她们会和之前消灭她们。史云居住在大伯史万春家，史万春是我党的地下党员，在租界是商会会长，借此身份搜集了很多有利情报。史云得知王凤等人到上海后就在街上留了联络暗号想联系王凤等人，薛钗引林黛看到暗号，不过王凤由于情况不明不想立刻和史云接触。
秦可也想证明自己，于是在百乐门主动接近汉奸张耀汉。秦可准备在百乐门刺杀张耀汉。大岛惠子和平田冈分析到夺命金钗很可能从最近报纸上的新闻人物下手，于是带领黄群赶往夜总会，不过当他们赶到时秦可已经杀了张耀汉，撤离时被宋博所救。史云拿到报纸，看到姐妹们又有所行动，抱怨为什么行动不带上她。秦可看到报纸文章，署名雷神之锤，不禁陷入思考。王凤看到报纸，知道张耀汉死了猜测是秦可所为，认定秦可还活着并打消了秦可是汉奸的可能性。林黛则怀疑薛钗。燕青山来到上海见到余利，余利知道是上峰派来的燕特派员。燕青山首先对余利进行了一番爱国的教育。
