小组分为两组行动：张宪臣张译 饰与张兰刘浩存 饰伪装成夫妻，楚良朱亚文 饰和王郁秦海璐 饰则以情侣身份潜伏。然而行动伊始便遭遇致命危机——小组中有人叛变，特务科科长高彬倪大红 饰已通过叛徒谢子荣掌握“乌特拉”行动的全盘计划，在哈尔滨布下天罗地网。火车上的初次交锋，张宪臣与张兰便遭遇特务围堵，为掩护张兰携带密码本脱身，张宪臣主动暴露身份跳车，落入高彬手中。
与此同时，楚良和王郁在旅馆接头时同样陷入埋伏。楚良为保护王郁服毒自尽，王郁强忍悲痛继续潜伏。危机中，潜伏在特务科的我方卧底周乙于和伟 饰成为破局关键。他表面是高彬的心腹，实则暗中为小组传递情报：周乙利用职务便利篡改行动路线，在敌人眼皮底下调换关键信物，甚至冒险将毒药递给被捕的张宪臣，助其在暴露更多秘密前自我了结。
张宪臣在狱中受尽酷刑却始终未吐露周乙的身份，临刑前用藏在衣领的火柴头敲击铁窗，以摩斯密码向周乙传递最后情报——“王子阳安全，速转移”。周乙接获信息后，与幸存的王郁接头，策划了一场惊心动魄的“假死”行动：在日军押送王子阳的途中制造混乱，最终成功将证人送出哈尔滨。任务成后，周乙亲手处决叛徒谢子荣，继续潜伏在敌人内部，等待下一次“天亮”的信号。
冰城的雪覆盖了特工们的血迹，却掩盖不了他们“把最后一颗子弹留给自己”的决绝。当“乌特拉”在俄语中意为“黎明”，这些名英雄用生命在悬崖之上铺就了通往黎明的道路——即便坠入深渊，信仰的光芒仍在风雪中闪耀。