任务开始后，小队遭遇叛徒出卖，行踪暴露在特务机构的严密监控之下。队长张宪臣张译 饰与队员张兰刘浩存 饰一组，楚良朱亚文 饰与王郁秦海璐 饰一组，两组人在哈尔滨展开分头行动。他们利用暗号接头，在敌人眼皮底下传递情报，却屡次陷入高彬倪大红 饰 领导的特务组织设下的陷阱。
张宪臣为掩护队友身份，主动暴露行踪吸引敌人意，不幸被捕。面对酷刑与威逼利诱，他始终未泄露任何任务信息，最终在刑场被枪决。楚良在与特务的周旋中，为保护同伴服毒自尽。王郁强忍失去丈夫张宪臣和队友的悲痛，继续执行任务。张兰则在潜伏者“老周”于和伟 饰的暗中帮助下，成功与越狱者接头。
在“老周”的策应下，小队成员以生命为代价，最终成了“乌特拉”行动的核心目标——将越狱者安全转移。影片，幸存的王郁与张兰在火车站相视而泣，她们望着远方的曙光，等待着胜利的到来。
整个故事以谍战交锋为主线，穿插着特工们对家人的思念与对信仰的坚守。冰城的肃杀氛围与频繁的身份反转，让剧情始终处于紧张状态，展现了名英雄在绝境中以身许国的牺牲精神。