1940年抗日戰爭相持階段,日軍為加速侵略中國秘密策劃細菌戰。南京大屠殺幸存者醫生金深水,在日軍設立的桃花鎮保甲模范區意外營救生化專家白大怡,由此揭開日軍以人體進行細菌武器實驗的血腥真相。在黨組織指導下,金深水周旋于日軍情報機構與偽政權之間展開生死潛伏,期間遭遇殘酷的腦控藥物實驗等反人類罪證。女醫生林嬰嬰因家族慘遭日軍屠戮而投身抗日,與金深水結成生死同盟。兩人聯手新四軍及地方游擊隊,在付出重大犧牲后摧毀桃花鎮所有實驗設施,終結日軍731部隊在此地的生物武器研發計劃,并通過獲取的罪證向國際社會揭露了侵華日軍實施細菌戰的暴行。金深水歷經血火考驗,最終完成從普通愛國青年到堅定共產主義戰士的蛻變。