上世纪三十年代，四位曾在苏联接受特训的共产党特工组成任务小队，回国执行代号为“乌特拉”的秘密行动。由于叛徒的出卖，他们从跳伞降落的第一刻起， 就已置身于敌人布下的罗网之中。同志能否脱身，任务能否完成，雪一直下，立于“悬崖之上”的行动小组面临严峻考验。

故事发生在1963年的德国，时值冷战期间，德国女汽车技师嘉比（艾丽西亚·维坎德 Alicia Vikander 饰）的父亲是一位精通核武器的专家，最近，有证据表情他正在帮助纳粹制造核武器，来达到统一全人类的邪恶野望。
拿破仑（亨利·卡维尔 Henry Cavill 饰）是CIA的特工，他曾经犯过的错误让他的仕途岌岌可危，他必须做出点成绩来证明自己并非无用之才。伊利亚（艾米·汉莫 Armie Hammer 饰）是苏联国家安全委员会特工，他的父亲被政府打上了贪污分子的烙印，为了摆脱父亲带给自己的不良影响，伊利亚必须比其他人更加努力。这样的两个人都想要赶在对方之前将核弹大师捉拿归案。

故事发生在抗日战争如火如荼的关键阶段，汪伪政府投敌叛国，华夏大地民不聊生，炎黄子孙的命运危在旦夕。上海明氏企业的董事长明镜（刘敏涛 饰）胸怀赤诚，暗中资助中国共产党。她的弟弟明楼（靳东 饰）则在军统担任特工，行踪诡秘。姐弟俩的弟弟明台（胡歌 饰）饱读诗书，本无心政治，谁 知却在飞赴香港途中被军统高官王天风绑架招揽。万般无奈之下，明台只能隐姓埋名接受培训，并最终成为军统驻上海站的一名特工。在接下来的行动中，他与中共锄奸小组的程锦云（王乐君 饰）多有配合，两人在行动中也培养出非凡的信任与感情。