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1942年，第二次世界大战正酣，美国拟派出轰炸机中队对东京实施轰炸。为此，美国本土提前派出了最高机密信使“笃信者”华裔军官陈东升将行动计划、轰炸机中队的呼号和密码带给中方。不料，其在飞临广东珠海上空时被日军击落，陈东升落在了被日军占领的三灶岛。为此，国共两党携手合作，启动了在日本本土潜伏休眠的特工武穆一郎，利用其特殊身份和关系，协同来自三灶岛的八路军女军医叶碧莹，登岛实施惊心动魄的虎穴救援行动。接到任务后，武穆一郎利用其特殊身份，和叶碧莹相互配合，巧妙地与藤田、大岛浩等为首的日本驻军周旋，一次次化解了命悬一线的危机，上演了一场场“猫捉老鼠”的好戏，终将陈东升成功带上了一架邮政飞机，飞离三灶岛。得到了关键情报的美国轰炸机编队成功实施了轰炸行动后，安全返回，武穆和叶碧莹顺利完成任务。
这夜因坂本突遭带走拘押，大岛浩愈发紧锣密鼓地调查武木一郎。与此同时，这晚叶碧莹决然打算留在三灶岛，暗中谋划隐瞒武木一郎去救村民。次日，武木一郎竟带着叶碧莹一同准备离开，她灵机一动谎称要先去祭拜母亲告别，与他约定机场再相见。
武木一郎推着轮椅上的威特匆匆来到机场，大岛浩得知武木一郎已然抵达机场后心急如焚，急忙派人前去阻止。此时，武木一郎和威特在机场内焦急万分地等待着叶碧莹，武木一郎的钱包不经意间掉出叶碧莹给他的书信，他这才惊觉她不会跟着自己离开，本想折返强行带走她，谁知大岛浩突然来到机场，武木一郎无奈只好带着威特提前起飞。
大岛浩阻止武木一郎离开的行动失败后，气冲冲地回到军营质问藤田，完全忘却了自己应有的身份。藤田见状只好说出介信利吉是大角岑事故的关键证人，而且告知基地中有嫌疑人存在，再三叮嘱他不要再生事端。随后，大岛浩仔细勘察介信利吉的病房，并未发现任何可疑物品，然而在便盆中发现一些残渣，从医生那里得知此物后，他猜测介信利吉的声带并没有坏，于是派人紧盯叶家并提审汤菊儿。
叶碧莹提着行李箱神色匆匆地回家，叶德公正神色严肃地向叶龙侠交代一些重要事情，转头发现女儿并未按照计划离开，不禁大吃一惊。另一边，军统上海行动组长李葆山根据处长的秘密指令，早早地在机场门口严阵以待，等着武木一郎的到来，而此刻中共秘密党员赤西和泷泽也在暗处悄然接应武木一郎。
武木一郎和威特顺利抵达机场，随后随着泷泽悄然离开，然而他很快发现自己被李葆山紧紧跟踪。殊不知，沈处长还精心制定了一场劫人计划，可还未等他们动手，武木一郎就被前来接应的日本军突然带走。其实大岛浩让上海站的同事秘密执行杀掉介信利吉的任务。半路中，一位农贩伪装被车撞到，日本人下车驱赶之际，混在人群中的杀手趁机靠近车子，果断杀掉介信利吉，可武木一郎和威特早已趁乱机智逃走。
李葆山的人一直紧紧盯着车子，突然发现日本人要杀掉武木一郎，当即毫不犹豫地与日本人展开激烈开战。另一边，井上家族的人接到大岛浩的书信，信中指出武木一郎是杀害井上的凶手，此刻他们也火速来到上海，当即毫不犹豫地参与刺杀行动，甚至还劫持了威特，威特为了不连累武木一郎，毅然决然地拉开手雷，与井上的人同归于尽。
武木一郎眼睁睁地看着威特为救自己而壮烈牺牲，急火攻心之下瞬间晕厥过去。待他悠悠醒来时，旁边的日本军满脸愧疚地向他道歉，称这次在上海没能保护好他。