1941年太平洋战争爆发以后，穿过山东境内的津浦铁路成为日军在中国大陆最重要的战略交通线之一。在津浦铁路枣庄段周边，活跃着一支民间抗日游击队，这支游击队主要由枣庄火车站的几名铁路工人组成，队长叫马原，是火车站的搬运工工头。他们白天在日本人占领并管理的火车站干活，晚上出来秘密活动，利用对铁路线的熟悉以及扒火车、开火车的特殊技能，以一支小小的游击队跟大批装备精良的日本正规军周旋较量，造成了非常大的影响，当地老百姓给这支队伍起了一个响亮的名头，叫铁道飞虎队。

男主季白（王凯饰）和女主许诩（王子文饰）是看似关系冷淡的师徒，却是生死相依的战友，更是相互钦慕的爱人。季白是深沉冷酷的资深神探，许诩是一位犯罪心理研究的天才新人。两人在联手破获一桩大案之后，季白对这个单纯睿智的爱徒心生爱慕，奈何无论他如何明追暗夺，这个如“蜗牛”般迟钝的女孩，就是收不到爱的信号。在二人“谈情说案”之际，也是一段极致甜蜜、却也极致艰险的追凶之旅。