1937年，南京淪陷，國民政府遷都重慶，抗日戰爭進入最艱難的階段。留洋多年的數學博士陳家鵠(郭曉冬 飾)，在日寇入侵國土淪喪的危急時刻攜自己的新婚日本籍妻子—惠子(尹媗 飾)回國，希望以自己的一技之長，為國效力!卻不曾想到，自己的數學天賦以及在國外求學時曾誤打誤撞破解過日本密電源碼方程式的歷史，早已經被日本諜報機構和國民黨軍統掌握!　　軍統欲組建針對日本軍方密電的破譯機構——黑室。陸從駿上校經受重重考驗，被任命為黑室負責人。陳家鵠被黑室視為破譯密碼的最佳人選!但是面對軍統的力邀，早已知道政府腐敗無能、對國民黨當局缺乏信任的陳家鵠拒絕合作，遭到黑室負責人陸從駿的綁架。　　陸從駿為了確保黑室的安全，不斷地制造誤會、甚至不惜拿掉惠子腹中的孩子，以離間陳家鵠夫妻的感情。陳家鵠參加父母的葬禮，遭到日特伏擊，混亂之中，陸從駿奮不顧身，擋住了射向陳家鵠的子彈。陳家鵠對黑室和國民黨徹底死心，萌生了離開黑室的念頭。這時候，他得到消息妹妹家燕已經到了延安。黑室密戰劇照　　陸從駿中了相井的離間之計，開始在黑室內部排查泄密汪精衛出逃消息的人。為了保護陳家鵠，林蓉蓉(孫寧 飾)不斷涉險不幸引起了陸從駿的深度懷疑。李政和林蓉蓉為了商議轉移陳家鵠接頭，被陸從駿的爪牙發現。危急關頭，被安排在黑室內部一個連李政、林蓉蓉都不知道的三重保險——徐州，將爪牙除掉。　　陳家鵠在黑室不斷地目睹國民黨疏于抗日，見共產黨人徐州、林蓉蓉卻為了信仰和民族利益不惜犧牲，受到極大觸動。在黑室令其監控延安電臺破譯電文的任務之時，陳家鵠拒絕破譯，還主動向延安電臺發出預警電報，挫敗了國民黨的陰謀!　　陳家鵠正式提出要離開黑室，黑室的高層因為恐懼陳家鵠會投奔共產黨，惱羞成怒的要除掉他!在李政的幫助下，陳家鵠克服艱險出逃。