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1938年6月，武汉会战爆发，抗战局势危急。军统特工谢庚杨自作主张，将长期秘密关押的中共特工孟庆凡“盗出”监狱并射杀江边，抛尸江中，顺水飘到日军阵地。孟庆凡身上携带着一份谢庚杨伪造的假情报，使日本人相信苏联人将会出兵中国东北，进攻武汉的步伐被迫放缓。由于准备仓促，谢庚杨的计划出错，日本特工佐藤坚信这是中国人的阴谋。他亲自到武汉验证情报真伪。死里逃生的孟庆凡从日本人的拷问中，得知了这份计划会对中共造成伤害。他冒死逃离日军营地，返回武汉进行阻止。“谎言计划”被提交到国共高层面前。 为了武汉抗战，国共决定携手完成“谎言计划”。为了弥补计划瑕疵，八路军女播音员马小茴被安排与孟庆凡假扮夫妻，两人接受日本人的考验。国共双方情报精英，与日本最精锐的特工人员，围绕着这份谎言计划，在武汉展开了一场搏斗。
杨谷昌将司令部下达的送命任务告诉战士们，佐藤看到情报后放了谢淑娴。日军派坂田中队围攻凤凰岭，杨谷昌带队赶往任务地点，他命杨杰带着二十三岁以下的新兵留下，还委托他代为照顾老母亲，杨谷昌希望杨杰以后能带部队杀回来，他给七十九团留下了火种。杨谷昌到达凤凰岭后发现后山也有日军，他们被包围了，杨谷昌命人用明码给总部发去电报。
日军冲向凤凰岭，杨谷昌带人奋力还击，他们打退了日军的多次进攻，但阵地上的弹药不多了，日军截获了凤凰岭上杨谷昌发出的电报，日军中队损失了一大半，他们又派出一个连队的兵力进攻凤凰岭。孟庆凡带领谎言小组全体武装起来，他们准备入夜以后行动。陈司令派凤凰岭周边部队赶往营救，可需要三个小时的时间。
日军向凤凰岭再次发起冲锋，杨谷昌命战士们上刺刀，他们和日军展开肉搏，最后阵地上只剩下杨谷昌一人在战斗，日军将他团团围住，杨谷昌身中数刀后牺牲，他在最后用枪栓撑住身体。九菊的情报得知司令部的嘉奖，通过收音机还听到杨谷昌部被歼灭的消息。孟庆凡布置任务准备营救马小茴。佐藤对于谢庚杨的情报给予肯定，孟庆凡响枪后谎言小组各自行动。
佐藤听到枪声后用枪指住谢庚杨，谢庚杨假装反抗，九菊派人告诉佐藤说要将谢庚杨活着带出去，佐藤用马小茴来威胁谎言小组，谢庚杨被九菊派来的人带走，马天威故意放他们离开，佐藤一人挟持着马小茴，孟庆凡在后面果然开枪将他击毙，马小茴安全了，他从一开始就没有相信过孟庆凡，佐藤从直觉上感觉那些一直都是谎言，孟庆凡都承认了。
佐藤死了，他无法看到结局，孟庆凡没见到马小茴，她被两名士兵悄悄带走。谢庚杨见到了胡万全，这才知道他就是九菊，他还不知道佐藤的死，谢庚杨让他想办法救出女儿了陈菲，他让九菊先离开，然后将情报藏在烟灰缸的烟头里。王昌平为铁锤行动举办新闻发布会，孟庆凡通过报纸得知了马小茴的地点，他必须过去营救。谢庚杨相信孟庆凡一定有办法对付九菊，孟庆凡被菊抓住，他知道佐藤更加在乎真相。