20世纪40年代初，国际局势风云突变，古老的中华民族更到了生死存亡的危急时刻。在日寇的铁蹄恣意肆虐之下，无数中华儿女抛头颅洒热血，却也有那苟且偷生之人为了一己私利投敌叛国。国民党军统上海站站长侯坤的叛变，令抗战局势出现前所未有的危机。国民党和共产党双方相机而动，急欲出去危害抗战大业的汉奸叛徒。军统方面由顾雪峰带队，组建了代号“十三钗”的行动小组，剑锋直指汉奸邹博庵（李竹饰）及侯坤。李凤凰（韩雪饰）、徐子晏（徐百卉饰）、欧阳琴（赵兆饰）这群十三钗的姑娘身怀绝技，独立坚韧，在一系列与对手交战的过程中，她们还意外结识伪装成牙医的地下党员郭春光（李超饰）。 各路人马搅在一起，暗潮涌动，而十三钗的一号人物迟迟不曾露面，与此同时，日军方面也悄悄展开一个险恶的计划……抗战初期，共产党员郭春光受党组织指派在上海以牙医身份做掩护，收集日伪情报。同时，国民党军统指派顾雪峰为新任军统上海站站长，组建代号为“十三钗”的女子别动队，任务为抗日锄奸、获取日军电报密码以及破坏日伪用以欺骗舆论的天长节等。地下党员郭春光从一开始就发现“十三钗”行动队是一支可以引导的抗日有生力量，于是以掩护身份混入队伍，从侧面策划和指导全盘行动。在“十三钗”行动队成功锄杀数个汉奸之后，日伪势力掀起疯狂反扑。顾雪峰被捕后叛变投敌，反过来疯狂追杀“十三钗”成员。关键时刻，地下党员郭春光挺身而出力挽狂澜，带领“十三钗”队员成功突围并谋划反击。在历尽艰险磨难之后，郭春光和别动队的姑娘们锄杀了目标汉奸和叛徒顾雪峰，获取了日军最新密码并破坏了日伪军精心策划的天长节后成功转移中共后方根据地，踏上新生之路侯坤叛变，导致军统上海站站长汤继敏被武田正治为首的日本梅机关所杀，军统上海站损失巨大。共产党员郭春光得到组织命令，锄杀大汉奸邹博庵。郭春光通过营救军统副站长万木林得到其信任。军统大老板决定重建军统上海组织，由顾雪峰任站长，激活潜伏的女子间谍成立代号“十三钗”的组织，首个任务同样是锄杀抵达上海的汉奸邹博庵。李凤凰作为二号钗带领周海萍、齐玉环来到上海火车站执行刺杀人物，误打误撞与郭春光相识。因为三号钗欧阳琴的失误错失行动良机，刺杀行动失败。邹博庵得到日军庇护。徐子晏对即将息影的舆论不置可否。十三钗稍作休整执行一系列锄杀汉奸的任务之后，来到赌馆锄杀侯坤。郭春光也得到消息来到赌馆。因为郭春光的“搅局”，刺杀侯坤搁浅。李凤凰抓来郭春光欲审问，正好让万木林和郭春光相认，二人结拜，郭春光初步打入十三钗。郭春光随十三钗在舞厅再次行刺，侯坤身死，武田安排的卧底翠花也借这个机会打入十三钗。顾雪峰作为队长正式在十三钗亮相，暗地命令李凤凰激活潜伏的“僵尸”，同时调查郭春光的底细。一号钗作为军统大老板的底牌，始终没有公开身份。武田决定通过征服大明星徐子晏来达到征服人心的目的，同时计划招降顾雪峰。十三钗初步集结完毕，女队员们各有底层社会身份，有不同的特长和性格。欧阳琴因为不满李凤凰的领导，二人借由郭春光进进行比试，让郭春光脱了一层皮。组织命令郭春光打入十三钗，见机行事。李凤凰连杀几名汉奸，略胜一筹，取得十三钗的领导地位。李凤凰欲除掉与武田关系密切的徐子晏，却意外发现顾雪峰也来到徐府，他和徐子晏之间似乎有过往的瓜葛。李凤凰不知道的是，顾徐二人是昔日恋人。此时武田也来到徐府，李顾二人藏在徐府内房，险象环生。武田亲信宫野兰发现蛛丝马迹，在顾雪峰车下安装了定时炸弹。武田离开后，日本人对李顾进行追杀，二人冒死逃脱。汉奸张玉林通过贿赂武田得到促进会会长的职位，承诺与武田共享鸦片买卖的好处。顾雪峰和李凤凰在上海饭店与密使骆驼接头，骆驼交代十三钗接下去的两大任务：继续锄杀邹博庵、阻止日军“蒲公英计划”。武田为首的日军对饭店进行围剿，顾雪峰李凤凰逃脱，骆驼落网，自杀身亡。武田意识到军统这次接头不简单，吩咐日军在重庆的卧底查明军统目的。郭春光和万木林套近乎，进一步稳固在十三钗的地位。十三钗内部会议，李凤凰因为不满万木林的老油条作风，动手打了万木林。但是对新来的麻翠花，李凤凰照顾有加。郭春光来到泰来药店，试图跟组织接头，没有结果。李凤凰要将郭春光赶出十三钗队伍，郭春光凭借接头时得到的汉奸名单留了下来。