《谍影重重之上海》讲述1937年，日本人开始进攻上海，中共地下党紧急转移，组织令留守上海的特科队长向亦鹏务必找到失踪的地下党员林璇和她身上携带的一份日方的秘密电报。中共上海地下党情报六局行动科科长邹凯林被俘，一时间使中共地下党组织陷入被动。指挥抓捕邹凯林的正是向亦鹏的好友，黄埔军校同学，国民党军统驻上海特别行动组组长阎天，面对危局，向亦鹏启用我地下组织在军统内部的卧底“猫眼”。几番周折，“猫眼”送出情报，邹凯林叛变，阎天将亲自将邹凯林押往南京，向亦鹏果断出击，叛徒邹凯林饮弹赴黄泉……
中共上海地下组织交给向亦鹏一项特殊任务，因为我地下组织得到情报，我党安插在日军海军驻沪军部的卧底山田一夫受到芥川的怀疑。组织上安排向亦鹏离开三科的领导岗位，任务是假装变节，帮助芥川打击山田一夫。
在日军的军事法庭上，芥川携向亦鹏向山田发难，此时，山田突然把林璇带到法庭上，并道出了林璇的身世，指出林璇的生父是中共高级特工“猫眼”。形势瞬间大变，山田解脱了，芥川却成了日军军部的阶下囚。
中共高层人士获悉，侵华日军的一个重要文件“军刀计划”藏在上海。中共上海地下党组织指示山田一夫，救出向亦鹏，抢先获取“军刀计划”。山田根据阎天提供的暗号，找到了“军刀计划”的蛛丝马迹。
被日军军部关押的芥川，趁着夜色携林璇逃出，他利用已投降日本人的黑帮成员方孝抓获了正要回家给地下党发报的山田，深夜，山田服毒自尽，他用自己的鲜血在墙上留下了一首日本古诗“人生五十载,天下里面，有如梦幻一般，得到一次生命,还有不死的人吗？”
谜一样的古诗，隐藏着什么样的惊天秘密？“军刀”计划是怎样的军事秘密，神秘的林璇，究竟是怎样的身份？向亦鹏，阎天，如何能杀出绝境，送出最后的谍报……
