1937年，南京沦陷，国民政府迁都重庆，抗日战争进入最艰难的阶段。留洋多年的数学博士陈家鹄，在日寇入侵国土沦丧的危急时刻携自己的新婚日本籍妻子—惠子回国，希望以自己的一技之长，为国效力！却不曾想到，自己的数学天赋以及在国外求学时曾误打误撞破解过日本密电源码方程式的历史，早已经被日本谍报机构和国民党军统掌握！军统欲组建针对日本军方密电的破译机构——黑室。陆从骏上校经受重重考验，被任命为黑室负责人。陈家鹄被黑室视为破译密码的最佳人选！但是面对军统的力邀，早已知道政府腐败无能、对国民党当局缺乏信任的陈家鹄拒绝合作，遭到黑室负责人陆从骏的绑架。

　　陆从骏为了确保黑室的安全，不断地制造误会、甚至不惜拿掉惠子腹中的孩子，以离间陈家鹄夫妻的感情。陈家鹄参加父母的葬礼，遭到日特伏击，混乱之中，陆从骏奋不顾身，挡住了射向陈家鹄的子弹。陈家鹄对黑室和国民党彻底死心，萌生了离开黑室的念头。这时候，他得到消息妹妹家燕已经到了延安。

　　陆从骏中了相井的离间之计，开始在黑室内部排查泄密汪精卫出逃消息的人。为了保护陈家鹄，林蓉蓉不断涉险不幸引起了陆从骏的深度怀疑。李政和林蓉蓉为了商议转移陈家鹄接头，被陆从骏的爪牙发现。危急关头，被安排在黑室内部一个连李政、林蓉蓉都不知道的三重保险——徐州，将爪牙除掉。

　　陈家鹄在黑室不断地目睹国民党疏于抗日，见共产党人徐州、林蓉蓉却为了信仰和民族利益不惜牺牲，受到极大触动。在黑室令其监控延安电台破译电文的任务之时，陈家鹄拒绝破译，还主动向延安电台发出预警电报，挫败了国民党的阴谋！

　　陈家鹄正式提出要离开黑室，黑室的高层因为恐惧陈家鹄会投奔共产党，恼羞成怒地要除掉他！在李政的帮助下，陈家鹄克服艰险出逃。