1942年夏秋之交，抗日战争正是焦灼之时，离慈水县城不远的郊外，一队日本人假扮八路军在街上胡作非为。这一事件引起了慈水县八路军独立团团长杨全儒和蔡政委的重视，通过情报得知是日本人所为，由此团长下令全军战备阻击日军，并擅自决定将慈水县秘密兵工厂新造出的一批来不及运出的武器，全部用于本部队战斗。重庆中央大学，古怪的心理学女教师向海音连日来陷入昏迷式的沉睡状态，这引起了同事王老师的担忧，向海音的未婚夫——数学系教授孔方，是数学逻辑学的天才。广播里传来孔方的家乡——慈水县的讯息，八路军利用新研制武器对抗日军136旅团的战报，孔方对这则新闻表示不满，他认为通过这则新闻可以确定兵工厂位置。而真正令孔方忧虑的是日军136旅团的少将横尾阔，他知道此人熟读《孙子兵法》，是个中国通，孔方相信横尾阔能推断出兵工厂位置。

　　孔方给学生们上数学课，但大家却无心向学，纷纷表示要用自己的方式投身抗战，孔方告诉大家数学和逻辑更能帮助他们实现抱负，并用几次推理让学生们心服口服。向海音来到医院求医生再给她多开一些药，遭到医生拒绝。

　　慈水县，横尾阔被孔记粮行门匾上的几个大字吸引，想认识店老板，店老板正是孔方的父亲孔良丰。而此时孔良丰正和巡街的日本兵周旋，处境十分危险，横尾阔的到来化解了一场危机。正如孔方所料，横尾阔在搜集太行地区地图，组织测绘小组介入，目标直指虎头山兵工厂。虎头山兵工厂内，特务连连长孔圆正带着弟兄们喝酒吃鱼，由于长期呆在虎头山，兄弟们戒备涣散，指导员罗有仁批评了孔圆，孔圆不以为意。

　　傍晚，罗有仁林间巡逻，遇到两位可疑老乡，向孔圆报告，暗中跟踪两人后得知他们是横尾阔派来的测绘小组，一共四人。孔圆布置围捕任务，兵工厂厂长谭震唯恐鬼子已经发现工厂，提议将情况上报，但孔圆却坚持先伏击后再议。在伏击行动中，虽然最后全歼了鬼子，但特务连一位队员也因此牺牲。测绘小组未能按时归队，横尾阔更加肯定虎头山有诈，立刻调动侦察机前往。

　　日军侦察机如约而至，发现了兵工厂，开始疯狂扫射，特务连的队员以步枪击落敌机。谭震立刻把消息报告上级。得知飞机被八路军击落，横尾阔立即遣兵封锁八路军主力部队，提前启动强攻虎头山，并亲自坐镇指挥。千余鬼子围攻兵工厂，孔圆执行上级命令，保全兵工厂技师，并转移掩藏全部武器。在激烈的战争中，罗有仁和许多战友与敌人同归于尽，谭震也带领工人们完成了掩藏任务，而孔圆则被日军俘虏。

　　横尾阔召集全部兵工厂工人，以性命要挟工人们招出武器埋藏地点。特务连还有两名幸存的队友——陆达和闫学武。日军为了展示俘虏战果，强行拉孔圆拍照并登报昭告，孔方得知了弟弟被俘的消息，打算亲赴前线去查看情况，向海音也跟着去了。

　　在被俘期间受过孔圆之恩的日本人石田太郎，一直挂念不吃不喝、绝食明志的孔圆，寻找机会去看他。横尾阔的副官藤山想杀工人以震慑陆达，横尾阔并不赞同，他要留着这百余号性命，为日军的毒气实验准备大量活体标本。而专为这一计划请来的德国科学家瓦格纳提出需要一个精通中日德三国语言的美女翻译。

　　石田太郎逮到机会进到牢房，终于说动孔圆不再绝食。八路军独立团团部，团长杨全儒和蔡政委正为如何反攻虎头山营救工人而苦恼，孔方和向海音的到来令他们大开眼界，孔方不仅推论出团部的正确位置，还指出横尾阔占领虎头山的真正目的是为了建造自己的化学武器工厂。杨团长对孔方的能力很信服，最终决定积极配合孔方，两人准备冒充瓦格纳的翻译混进山里。孔方还在积极找寻他儿时的伙伴巩大河，巩大河水性极好，这会在行动中起到重要作用。

　　杨团长为孔方找来两名交通员孟大、孟二，二人伪装成脚夫赶驴车送其进城。孔方回家将孔圆未死，自己打算去营救的消息告诉父亲孔良丰。孔方在房中找到一对哨子，并将哨子中暗藏的行动口诀告诉向海音。孟大、孟二由于不谨慎暴露了身份，被伪军打死，也因此连累了孔方。伪军包围了孔家，要逮捕与八路军串通的孔方、向海音。孔方、向海音机智地化解了危机，伪军没办法，趁机敲诈孔良丰几袋米面了事。孔良丰借着送米一事，从军备处得到通行章，借机送孔方、向海音出城。

　　孔记粮行的马车接上巩大河，一行人顺利出城，并重新和独立团接头。杨团长已经打探到瓦格纳的情报：德国化学天才，随身跟随一名叫保罗的贴身保镖，梅机关为其物色了一名叫信芳的女翻译。杨团长决定由向海音顶替信芳。为了不惊动鬼子防线，交通员只能领巩大河一人进山。

　　闫学武和陆达在临近敌人“心脏”位置的一棵老槐树上隐蔽起来，伺机寻找狙击机会。横尾阔伪装成伙夫出门，闫学武和陆达果然中计，对近在咫尺的横尾阔浑然不觉，错失一次绝佳的狙击机会。孔方为了进山，决定把自己藏身箱中，由向海音作为随身行李带入山中。

　　就在小张要交待机密时，孔圆怒火攻心，勒住小张的脖子想制其于死地，最终不忍心松了手，这令小张羞愧难当，发誓死不松口。横尾阔到底是个中国通，只从小张未说完的半句话中便推测出武器埋藏的地点就近在咫尺，立刻大肆搜查，其实武器就埋藏在谭震等人所处的牢房内。因为信芳拒不合作，向海音只能向其施加催眠术，套出了她与瓦格纳接头的时间地点。鬼子开始搜查谭震等人的牢房，谭厂长急中生智，用计保住了武器不被发现。由于闫学武和陆达迟迟不落网，横尾阔向山外驻军调来一只军犬打算随瓦格纳一起送进山参与搜查。

　　孔方一行人连夜赶往虎头山。横尾阔为了找出武器下落，决定拿孔圆上演一出苦肉计。藤山召集工人们在洞口集合，鬼子用枪抵着孔圆的脑袋，威胁大家说出武器的下落，就在谭厂长要说出机密时，埋伏在暗处的陆达、闫学武一枪击毙挟持孔圆的小兵，藤山立刻收押众人，向横尾阔汇报。横尾阔不打算再暴露，他派藤山去接应瓦格纳。

　　向海音顺利与藤山和瓦格纳接头，藏在箱子中的孔方差点被发现。一行人来到日军驻地，瓦格纳极其难伺候，扬言横尾阔不现身就不进营，藤山没办法只能进去请示长官。横尾阔害怕被狙击手打死，付了双倍违约金请瓦格纳进来。闫学武、陆达注意到军犬的到来，他们隐身商议对策。孔方得知军犬的到来，觉得这是个必须面对的问题，他唯恐军犬在找到八路狙击手之前，先找到巩大河。

　　横尾阔设宴邀请瓦格纳，并要求其马上研制神经性毒气。黄参谋带巩大河进山，没想到被追击八路的鬼子盯上，黄参谋为了保护巩大河完成任务，独自引开鬼子跳崖而亡。酒过三巡，瓦格纳向横尾阔提议检查向海音的箱子，向海音只能请众人当面检验。此时孔方早已跑出箱子躲在床下，但这并没有打消瓦格纳的顾虑，横尾阔也因此训斥了藤山的粗心，他坚信信芳是间谍，只是暂以为她是梅机关的间谍而没有行动。

　　向海音被横尾阔请去喝咖啡，向海音机智地承认自己是梅机关的特务，横尾阔暂时相信了向海音的说辞，他把注意力重新放回寻找武器上面。谭厂长打算和鬼子同归于尽，向海音却跟随鬼子的战地摄影师来到牢房参观，向海音察觉到异样，不动声色地用上海话给工人们传递出营救的信息，谭厂长听到后半信半疑打算再观察一阵。向海音跟随摄影师终于来到孔圆的牢房，通过和摄影师的谈话，暗示孔圆，孔圆也觉察出这个女人的到来跟自己有关系。军犬追赶巩大河，闫学武循着狗叫声发现了巩大河，他利用陷阱杀了军犬，带着巩大河逃走，二人背着死狗躲在树上，险些被鬼子发现。

　　向海音成功偷来一套日军服，她将路线结构、孔圆和工人的关押位置都告诉孔方，孔方换好衣服，走出房间。此时正是犯人放风的时间，孔方、孔圆兄弟相见，两人都不动声色地错过，孔圆激动地掩饰住泪水。孔方顺利找到谭厂长，混进工人队伍，在大家的掩护下，准备商谈逃离方案。

　　孔方提出解救工人们的方法就是挖地道，他也知道关于八百壮士墓的传说，并且通过实地观察，推测出墓的大概位置就在牢房的密室内。他让谭厂长安排人手从埋藏武器的暗室开始挖，只要挖通暗室和墓穴，就能悄悄转移所有工人。横尾阔查看鬼子缴获的巩大河的工具包，因为一张防水的地图，于是加大了对太岁湖的防守。闫学武三人为了能和孔圆用哨声联络，决定逮一只鸟代替哨子，他们的行踪惊动了日军，所幸躲过了追查。横尾阔询问瓦格纳何时展开活体实验，瓦格纳却要求给他弄一张黄花梨椅子，否则不能进行活体实验。

　　孔家女儿孔融受不了汉奸的一再勒索，让青皮等人收拾了贵重行当，挟持了伪军头，出了城。浩浩荡荡一群人在青皮的带领下去投奔八路军团部。信芳借机逃跑，却被赶来的青皮等人看个正着。孔方再次见到孔圆，两人交换了情报，闫学武也在学鸟叫用暗号联络孔圆，孔方听到声响，暗示孔圆靠近老槐树，兄弟俩和地下的闫学武等人终于对上话。孔方计划先救孔圆，再想办法给巩大河弄一套工具。他要绑架瓦格纳，逼日军拿孔圆交换人质。

　　工人老赖禁不住利诱，交待出一本关于兵工厂武器埋藏原则的油印书以及原料和工具的埋藏点，藤山大喜，但依然不守信用杀死了老赖。横尾阔利用《武器埋藏守则》的提示，挖出了很多掩埋的零星武器，好在仓库暂时没有暴露。横尾阔对瓦格纳失去耐心，于是威胁他如不服从，就在国际舆论上曝光其制造化学武器。瓦格纳无奈只能顺从。信芳和孙国亮使计成功抓获了伪军头，信芳审出了黄花梨椅子的交接时间和地点，想利用这次机会进山，但她摆脱不掉孙国亮的看守，只能和孙国亮谈判。

　　入夜，孔方进入瓦格纳房间将其打晕，拖回向海音的房间，他为瓦格纳灌进安眠药片将他藏进箱子中。孔方制定了脱逃计划，并观察墓穴，圈定了隧道挖通后，墓穴内的准确地点，闫学武等人钦佩不已。信芳说出了自己的机密，赢得到了孙国亮的支持，他们决定冒充伪军头进山。得知瓦格纳失踪，横尾阔意识到问题的严重性。闫学武前来和横尾阔谈条件，称瓦格纳在他们手上，让日军带孔圆来交换人质。

　　藤山押着孔圆和闫学武去往交换地点，途中，藤山偷偷给后面的部队留下记号。孔方将瓦格纳送回房中，并重新混进工人堆中。孔圆和闫学武到达指定地点，在日军的包抄下，孔圆三人纷纷跳入湖中，早在湖中潜伏好的巩大河用做好的吸管帮助他们在水下呼吸。日军派擅长水性的中岛跳下去查看，中岛下水后被巩大河拖住后腿，最终中岛溺水而亡。藤山误以为水中有暗流，确认八路都已死。信芳和孙国亮成功混进虎头山。

　　巩大河扒了中岛的军装，以备后用。孙国亮带着信芳求见，横尾阔觉得一个伪军官也配女翻译实在奇怪，便同意见面。信芳冒充了向海音的名字，横尾阔知其精通日语、德语后很感兴趣，让信芳留下为其翻译，却把孙国亮关押起来。孔方决定要利用定向爆破制造地震假象以迷惑敌人，小张的父亲是这方面的专家，可惜已经牺牲，而师从父亲的小张在孔方和大家的信任下接过重担。

　　瓦格纳担心自己的安危，要求离开，被横尾阔拒绝，于是只能答应横尾阔立刻开展活体实验。横尾阔卜了一卦，怀疑他要找的人就藏在工人牢房内。横尾阔在工人饮食中放迷魂药，孔方测出有诈，一滴未喝，专注炸药的引爆时机。横尾阔又摆下鸿门宴，邀请向海音与信芳一同出席。向海音嘱咐孔圆千万不能射杀横尾阔，否则会让潜逃计划功亏一篑。工人们全部被迷晕，横尾阔带兵搜查牢房，但是并没发现可疑之处。

　　信芳夜访向海音，交出了自己的老底。原来信芳也是冒名顶替的，真正的信芳的确是梅机关的特务，一下船便让军统控制住，而军统的信芳接替后，她的真正任务是刺杀横尾阔和瓦格纳，阻止日军研究化学武器。而原定真正的信芳将会在后天与梅机关另一名特务川口在虎头山接头，到时所有假信芳都会暴露，所以他们必须在后天之前刺杀横尾阔完成任务。孔方终于引爆炸药，横尾阔以为是一场地震，挖掘工作继续进行。清晨，横尾阔带着信芳突访牢房，孔方来不及躲藏，谭震代替他是绑架瓦格纳的人。横尾阔让谭震交代事情，谭震不配合，于是成了神经性毒气的第一个试验品。

　　横尾阔觉得瓦格纳难侍候，故意邀请瓦格纳看一场搏击比赛，意欲让藤山大开杀戒以恐吓瓦格纳。横尾阔画圈为界，请中国人与藤山比武，双方生死自负，胜者可以出山，一名钳工与藤工对战，结果在众目睽睽之下，钳工被藤山活活勒毙，众人悲愤。瓦格纳表示对这样的比赛没有兴趣，而向海音却翻译成希望立刻停止比赛，信芳对横尾阔表示翻译得正确。

　　横尾阔越玩兴致越高，无人应战，最后是孙国亮上去，几招便制服了藤山，横尾阔忿然离席，藤山将孙国亮和工人们关在一起，信芳以催帐为名，当着藤山面把日军的密令口诀暗示给孙国亮。孙国亮将重要情报报告给孔方，梅机关的另一特务明天就到，他们要赶紧想对策。

　　横尾阔出山寻街，发现一铁匠铺内有铁，他判断战时物资紧缺，兵工厂附近不会有铁，遂派兵暗中盯防铁匠铺。保罗故意呼喊向海音，向海音知道这是明显的试探，没有答应，她对保罗的身份起了疑心。横尾阔宴请瓦格纳吃羊腿，质问谭震为何没有死，瓦格纳解释他并不想一蹴而就，而是希望交给横尾阔一个安全的化武生产线。这勉强说服了横尾阔，瓦格纳也保证每日都会进行新的活体实验，绝不手软。保罗假装干呕不适离开宴席，他和石田相遇，请石田为自己画了一幅肖像，并以一只德式打火机交换。

　　横尾阔请工人们看电影，实则是用调虎离山之计将众人移走，整个牢房被日军彻底搜查，预留在外的火药引信暴露了，日军顺藤摸瓜发现了埋藏武器的密室。顶替孔方留在密室的小张，在隧道口预留了炸药用铁板护住洞口，然后用小包炸药引爆，炸死了领头鬼子，隧道口再次塌方被土石掩埋隐藏，小张牺牲。横尾阔视察密室，终于发现了武器埋藏点，所幸没有发现掩埋后的隧道。横尾阔得意地向谭震等人展示自己的搜查成果，让工人们把武器全部运出密室，孔方万念俱灰，进入密室发现塌方的隧道，百感交集，他明白小张保住了大家最后的希望。

　　横尾阔要求谭震拟出二十个活体名单，孔方要求作为名单的第一人，他要会会瓦格纳。孔方带着工具包潜出牢房，他先去找向海音，打算明天炸死梅机关的特务。孔方又去找孔圆，教他埋地雷的方法，并嘱咐巩大河要在上午太阳逆光的情况下，下湖打捞机枪。

　　大家分两路各自执行任务。老梁送到，向海音再无回天之力，眼含热泪送走老梁。巩大河顺利打捞出一挺机枪，他没有听从孔方的劝告，坚持下水去打捞另一挺。横尾阔偶然发现洞口处的老槐树已死，他怀疑树底是空的，八百壮士墓就在附近，嘱咐藤山交由考古机构处理。

　　两个鬼子下湖洗澡，发现了巩大河，连忙上岸寻枪，被候在一方的陆达用枪指着脑袋，巩大河成功捞出另一把机枪。孔圆也顺利炸到了鬼子的汽车。横尾阔收到消息，命军医抢救危在旦夕的川口。信芳趁横尾阔不在，悄悄溜进他的办公室，找到日军布防图，这时横尾阔已经回来，信芳虽然一一应答化解，但仍然引起横尾阔的警惕。

　　川口伤势严重，要立刻送到山外就医，他对横尾阔传达了军部的旨意，并表示有人委托给信芳捎个话，横尾阔立刻明白了川口的身份来意，他不动声色让藤山去找向海音。得知川口未死，向海音故作镇定，要求单独面见川口。向海音喂川口吃下安眠药，川口临死前在手心中写下了一个“假”字。横尾阔将向海音照片寄到上海梅机关辨认真假，并派通讯兵监视向海音动向，向海音向孔方传递她的危况。孔方打算夜探，和向海音接头。

　　孔方无法突破日军看守，只好顶替第二个活体去往实验室见向海音，当向海音看到来人是孔方时，顿觉晴天霹雳。但孔方镇定地一步步攻破了瓦格纳的心理防线，说服瓦格纳与他合作。他们计划由瓦格纳为孔方注射毒气，保证他进入植物人状态但意识清晰，再让日军将孔方“尸体”扔入悬崖下的湖水内，由向海音通知巩大河湖内接应。

　　抛尸的队伍出发了，巩大河等人连忙赶往湖边。藤山将孔方身上绑上石块，抛入湖底，巩大河潜入湖底救出孔方，孔方用哨子暗语，眨眼示意迅速撤回古墓。向海音被监视的紧，无法交接信芳偷来的布防图，她让信芳亲自去联络点交给孔圆他们。隧道终于挖通了，孔方迅速布置工作，要在向海音暴露之前转移所有人员。

　　信芳找机会来到槐树下，孔方都其用折纸飞机的方式传递布防图。巩大河等人与铁匠铺的老铁接头，约定要把布防图和总攻时间交由老铁带出去。闫学武、陆达挖通槐树下的火力布控点，工人们开始悄悄往古墓转移。老铁发现自己被日军盯防，为了不让巩大河暴露，他故意袭击日军牺牲，巩大河带伤去送布防图。向海音劝信芳和他们一起撤离，被回绝，她告诉向海音自己的真名叫何与溪。

　　向海音和瓦格纳深夜偷偷潜出房间，以口令过关，从打通的槐树下进入墓穴。保罗暗器毒杀了石田，他用微型照相机收集好资料，离开房间。巩大河赶到团部，但因为时已晚，杨团长不能按时发动总攻，他以炮声为信，另约晚上八点作为总攻时间。为了不暴露墓穴，孔方只能让工人转移回牢房，但中午梅机关就会发来确认函，向海音就会暴露，孔方又出一招，让向海音孤注一掷。

　　横尾阔追查石田的死，查出保罗，保罗服毒前将胶卷偷偷交给向海音，毒发身亡。向海音的身份暴露，横尾阔派藤山押解向海音出山，准备送往东京会审，而孔方早已埋伏在路途中搭救向海音。孔方救出向海音后，和藤山打起追击战，他们不能回墓穴只能拖延时间。日军向众人释放毒气，闫学武为掩护众人逃走，和敌人同归于尽。

　　独立团打响了反击战，鬼子的瓦斯部队全军覆没，横尾阔意识到布防图泄露，当得知工人们和瓦格纳凭空消失，他立刻搜查牢房内的机关暗道，墓穴暗道很快暴露，横尾阔下令朝通道内释放毒气，最后转移的刘佰刚用身体堵住洞口，光荣牺牲。横尾阔深知大势已去，妄图引爆整个虎头山，与八路军同归于尽。这时何与溪出现了，她枪毙了横尾阔完成了自己的使命，用生命保住了虎头山。向海音将保罗交给自己的胶卷上交给国际舆论，日本的化武阴谋破产。孔方和向海音也回归了平静的生活。