1928年，伪满洲国的日本翻译伊丹英彦（仲村亨）离开中国情人丁慧（章子怡）返回日本，数年后他再回中国来到上海时，变身高级特务。而此时丁慧已成为地下抗日组织的成员，并与该组织首领谢明（冯远征）相爱。抗日

上海苏州河上，用摩托车替人送货的马达（贾宏声）接下送接纯真少女牡丹（周迅）的活，两人相处时，牡丹爱上马达，但就在她决定把终身托付给对方时，马达财迷心窍联合黑道朋友绑架了她，令牡丹心灰意冷跳进苏州河里。

城建委主任唐奕杰（张颂文 饰）在动员钉子户搬迁现场坠楼身亡，年轻警官杨家栋（井柏然 饰）负责调查此案，因此结识了唐奕杰的妻子林慧（宋佳 饰）和女儿唐小诺（马思纯 饰）。通过唐小诺，杨家栋得知唐奕杰和林