经过一场惨烈而血腥的巷战，日军最终宣告投降。消息传来，民众无不欢欣鼓舞。在随后举行的军民庆功宴会上，一名通晓日语的侦讯人员偶然探听到日军计划炸毁桥梁的情报，然而这一信息并未引起在场人员的重视。我军特种大队队长杜康(马跃 饰)在危急关头接受命令，对前军统特务万汉源(陶泽如 饰)发出的一封密电进行破译。该密电内容为“宫保鸡丁，过桥米线”，杜康从中解读出“保护桥梁”的核心指示。随后，杜康与万汉源共同前往大桥设计师何凤祥的住所。每一座大型桥梁都存在一个被称为“心脏”的关键部位，此结构节点相对脆弱，易于被破坏，但其确切位置仅由桥梁设计师掌握。万汉源向杜康说明，何凤祥不仅是唯一知晓该桥“心脏”所在的设计师，同时也是自己女儿的养父。此次行动的目的，不仅在于确保大桥设计图纸不落入敌方手中，也关乎营救万汉源的女儿及其挚友。然而，两人抵达时已为时过晚，日军残忍地杀害了何凤祥夫妇，并劫走了年幼的何丽(李曼 饰)。鉴于自身身份的极端危险性，万汉源在万般无奈之下，将女儿的人身安全托付给杜康。杜康率领助手常亮实施拦截，成功从敌方车辆中救出小何丽。这一英勇举动，也在少女心中悄然埋下了情感的种子。
战争结束。时间来到一九五○年，中华人民共和国成立初期。已然长大成人的何丽自卫生学校毕业，成为一名护士。她收到一张写有“亲人在江城等你”字样的纸条。一直渴望与亲人团聚的何丽，因此自愿前往江城人民医院工作。当年被杜康营救的小何丽，在组织与人民的关怀和培养下平安成长。她始终认为自己的亲生父母是为国牺牲的何凤祥夫妇，而自己是一名烈士遗孤，直至毕业前夕收到这张神秘的纸条。在前往江城的轮渡上，何丽竟意外地再次遇见了杜康。原来，潜伏的特务在江城策划了一系列破坏活动，杜康作为特别行动组组长，正携带常亮赶赴江城进行支援。由于杜康曾拯救过年幼的何丽，两人相遇时均感到一种似曾相识的熟悉感。何丽依据童年时期的记忆，直觉认为杜康就是那个发出纸条、召唤自己前来江城的“亲人”。
杜康抵达江城不久，该市便发生了一起严重的爆炸事件，导致平民伤亡。局势骤然紧张，公安局局长周川与副局长张文明立即配合杜康展开调查工作。杜康从副局长张文明的恋人——护士长李水莲(宫筱轩 饰)处获得的出生证明中得知，何丽正是当年自己救下的小女孩，而其生父乃是军统特务万汉源。万汉源在解放后已神秘失踪。公安局长周川随即下令对何丽实施监视，并将其列为重大嫌疑人。何丽本人亦因“闹鬼黑楼中的脚印”等一系列事件无法澄清自身疑点，从而几乎遭到周围所有人的歧视与敌视，她因此感受到一种莫名的孤独。
前伪警察王长泰(范明 饰)行为表现颇为诡异，表面看似敌方特务，实则是我方安插的卧底人员。杜康审时度势，借助其特殊身份，对外宣布将其“开除”，并暗中委派其执行特殊任务。王长泰的爱人小翠花在解放前曾于青楼谋生，后被王长泰赎出并结为夫妻。小翠花对重情重义的丈夫心怀无尽感激，两人感情深厚。然而，由于王长泰的“双重身份”以及小翠花解放前不甚光彩的过往，他们的日常生活无时无刻不受到某种莫名的“关注”。
杜康通过对何丽所持纸条的分析，推断出何丽来到江城与爆炸事件存在关联，但关于事件真相，他暂时无从入手。借助王长泰提供的线索，杜康在江城监狱找到了万汉源。原来，万汉源已心生退隐之意，但因自身特殊身份难以在社会上安稳生活，便自行策划了一起“抢劫事件”，并借此在江城监狱中已羁押一年。杜康认为万汉源必然是爆炸案件的知情人，并且招来女儿作为自己的帮手。但在与万汉源会面后，杜康断定召唤何丽前来江城的并非其生父万汉源，而是另有其人。有人意图利用何丽的身世及其急切寻亲的心理，诱使其来到江城，目的很可能在于引出消失已久的万汉源，进而利用其爆破专家的身份展开新的破坏活动。
管大妈是爆炸现场幸存下来的唯一目击者，却在医院抢救过程中突然离奇死亡。作为当晚的值班护士，何丽因其特务女儿的身份成为重点嫌疑对象。护士长李水莲以及何丽昔日的朋友护士秋红等人，均开始疏远并对何丽保持戒备。而管大妈的儿子罗常青却坚信何丽是无辜的，在同情与关心的基础上，进而对何丽产生了爱慕之情。身处孤独中的何丽对罗常青无微不至的关怀十分感激，却无法接受他的感情。何丽内心始终执着地爱慕着杜康。杜康并非草木，何丽的纯真与善良自然在他心中激起涟漪，但由于两人身份的冲突，以及自身曾失去挚爱的惨痛经历，杜康或许不得不抑制对何丽的情感，仅表现出作为长辈的关爱。
何丽的同事、医院护士苏月明同样爱慕着杜康。她同样年轻貌美，但与何丽不同的是，苏月明的身份似乎与杜康更为“般配”。同样是处于花样年华、情窦初开的少女，这种对比使得“出身不好”的何丽倍感自卑。她明白杜康或许不会选择自己，却又难以自拔。为了杜康，她愿意做任何事，甚至不惜与自己的亲生父亲划清界限。女儿何丽是万汉源在这世上唯一的牵挂。在何丽的成长过程中，万汉源自觉未尽到丝毫父亲的责任，又因身份问题给女儿的幸福带来诸多麻烦与障碍，他内心充满愧疚。女儿的安全与幸福，成为他一切行动的动机。何丽那飞蛾扑火般的情感在打动杜康的同时，也使苏月明陷入左右为难的境地。杜康对苏月明的感情则更加令人捉摸不透。面对两位如花似玉的少女，他将做出何种抉择。抑或是在无法抉择时，便放弃选择。与何丽的炽烈与义无反顾相比，特务活动日益猖獗。杜康与公安局的同志们经分析认为，敌特的行动与炸药密切相关，而管大妈家爆炸所使用的炸药量，远不及解放前国民党库存于江城的炸药总量，必定仍有大量炸药被敌特藏匿。
正值此时，江城人民医院废弃多年的太平间内，竟投射出鬼魅般的灯光。有黑衣人深夜潜入公安局，向杜康投掷出锋利的匕首。究竟谁才是幕后的黑手？会是万汉源吗？杜康为了攻克万汉源的心理防线，与他进行了一次又一次的心理交锋。万汉源老奸巨猾，两人可谓势均力敌。万汉源自知隐匿之路已无法走通，在护士长（实为暗藏特务）李水莲的接应下，他借就医之机成功脱逃。他千方百计试图摆脱地下特务的跟踪，计划将女儿何丽带往远方老家，但无奈仍未躲过这一劫难。万汉源虽已心生退意，然而在女儿何丽性命不断受到威胁的情况下，他不得不继续参与特务的破坏活动。
敌特获悉公安局对炸药的关注与侦查行动后，迅速启动了“炸毁电厂”的计划。此举一在图谋再次破坏江城，扰乱人心；二在企图混淆视听，让公安局和侦破组误以为大案已告破，从而放松警惕。敌特意图趁张文明副局长与李水莲结婚之际实施声东击西之计。王长泰巧妙递出情报，使得敌特的破坏阴谋未能得逞。侦破组顺藤摸瓜，一举查获了敌特隐藏在太平间内的炸药。至此，李水莲已进入人们的怀疑视线。在何丽被诬陷事件以及监狱送信事件中，杜康逐渐发现了护士长李水莲身为特务的迹象。杜康等人综合分析各种迹象，确认电报中代号为“三和尚”的幕后主脑并非万汉源，而是万汉源在黄埔军校时期的得意门生尚靖康。正是他发出了那张纸条，致使何丽来到江城寻亲。他企图利用何丽找到教官万汉源后，实施最终的大桥爆炸计划。未曾料到，教官看似万念俱灰、心思只系于女儿身上，实际上对所谓“党国”的信仰早已不复当初。然而，“三和尚”已经牢牢控制了无辜的何丽。万般无奈之下，万汉源被迫暂时答应为他们制造威力巨大的深水炸弹。
何凤祥在抗战期间牺牲后，大桥图纸的藏匿之处便成为一桩悬案。为此，“三和尚”挟持了何丽作为人质。秉持“党国利益至上”信念的他，不断以何丽的性命威逼利诱自己的教官。但关于图纸的藏身之处，无论“三和尚”如何威逼利诱，万汉源实在无能为力。罗常青利用何丽的信任，将她骗至山上，随即露出本来面目——原来他并非管大妈的儿子，而是“三和尚”手下的一名特务。他的任务就是利用何丽找到大桥图纸。何丽愕然不已。关键时刻，一路跟踪在后的苏月明救了何丽，并击伤了罗常青。一直以来口口声声说爱自己的人竟威胁自己的生命，而感情上的对手却在关键时刻出手相救，此时的何丽来不及百感交集，“三和尚”已带人出现。苏月明在搏斗中受伤，何丽则被绑架至一处山洞。
护士长李水莲为了完成任务，答应陪同副局长张文明值班，趁其不备，前往何丽回忆中曾透露过的地点盗窃大桥图纸。但她的行动早已被杜康预料并防范。潜伏的特务鲁阳为了灭口，竟杀害了走投无路的护士长李水莲。在何丽儿时回忆的辅助下，杜康成功找到了何凤祥所藏匿的大桥图纸。他将计就计，利用李水莲与副局长张文明的恋爱关系，设计迫使李水莲暴露出了特务的真实面目。面对近在咫尺、唾手可得的大桥图纸，李水莲竟对自己的“未婚夫”张文明举起了无声手枪。危急关头，杜康将李水莲击毙。得知真相后的张文明不知所措，后悔不已。李水莲代号“阿芙蓉”，实为“三和尚”的恋人。得知“阿芙蓉”被击毙后，“三和尚”决定破釜沉舟、背水一战，冒死带领特务们前去执行炸桥任务。
杜康感到奇怪，“三和尚”如何得知大桥的机密信息？他意识到，或许有更大的特务潜藏在公安局内部。周局长、顾厅长等我军将领早已在大桥之上守候。没想到，“三和尚”将何丽和小翠花作为人质也带到了大桥上，这给歼灭敌军造成了极大困难。紧要关头，苏月明一身戎装出现，原来她竟是顾厅长的女儿，安插在医院的我方干警顾洁。杜康等人与特务们展开了一场斗智斗勇的激烈战斗，最终成功解救出何丽和小翠花，“三和尚”在桥上被歼灭。
面对已完成任务、身为救命恩人的“苏月明”（顾洁），杜康终于牵起了何丽的手。万汉源在斗争中身受重伤，生命垂危。面对父亲临终前的微笑，以及终于选择了自己的杜康，历经艰辛的何丽泪流满面。这一次，万汉源才真正将女儿的幸福托付给了杜康。面对救命恩人“苏月明”的新身份，何丽感到自己对杜康的感情似乎陷入了空前的绝望，或许真的不得不放弃了。
就在众人刚刚松了一口气之际，最后一刻的“程咬金”终于杀出。原来，潜藏在公安局内部的特务竟是周局长身边的警务员鲁阳。王长泰舍生取义留下信号，自己落入江中险些丧命。鲁阳挟持了万汉源，乘坐码头船长儿子的拖船，载着水下炸弹前去炸桥。面对突发的危急形势，万汉源在并不能确定女儿是否安全的情况下，艰难地做出了忠于民族大义的抉择，与鲁阳在船上展开了生死搏斗。杜康机智地判断出当前形势，火速赶到船上，协助万汉源击毙了鲁阳。
任务完成之时，杜康终于牵起何丽的手。万汉源在斗争中受了重伤，奄奄一息。面对父亲死前的微笑，面对终于选择了自己的杜康，历经艰辛的何丽泪流满面。这一次，万汉源才真正将女儿的幸福托付给了杜康。