1940年，汪精衛在南京建立了日本扶持的偽國民政府。在這個傀儡政權內部，有一個代號「老鬼」的地下共產黨員，長期潛伏，向抗日組織傳遞情報，策劃了多次針對日偽高官的暗殺行動。日本特務機關對此恨之入骨，卻始終抓不到「老鬼」。
日本特務機關長武田（黃曉明飾）設下了一個圈套。他故意發出一封假電報，內容是一次針對抗日組織的軍事行動計劃。電報經過五個人的手，而地下組織果然據此做出了反應——這說明「老鬼」就在這五個人當中。
武田下令將五人全部帶到一座與世隔絕的裘莊，關起來逐一審訊。誰是「老鬼」，就從這裡查起。
五個嫌疑人
顧曉夢（周迅飾）：華東剿匪司令部行政收發專員。出身富家，性格飛揚跋扈，看似只是個貪圖享樂的千金小姐，在司令部裡人緣極好，表面上對政治毫不關心。
李寧玉（李冰冰飾）：譯電科科長。冷靜、理性、專業，精通密碼和電報，是五人中最有能力接觸核心情報的人。她沉默寡言，不苟言笑，在同事中顯得格格不入。
吳志國（張涵予飾）：偽軍剿匪大隊長。粗獷、強硬，有軍人的鐵血氣質。他打過仗，殺過人，在五人中武力值最高，也最不好對付。
白小年（蘇有朋飾）：司令副官。陰柔、細膩，善於察言觀色，是司令身邊最親近的人。他掌握著很多上層的秘密，卻始終小心翼翼地隱藏自己。
金生火（英達飾）：軍機處處長。圓滑世故，是個典型的官僚，做事只求自保，不願得罪任何人。
裘莊審訊
五個人被關進了裘莊——一座陰森的日式城堡。武田和他的助手、偽軍特務處長王田香（王志文飾）開始了殘酷的審訊。
武田的策略不是簡單的刑訊逼供。他讓五個人住在一起，吃在一起，互相監視。他知道，在生死關頭，人性中最脆弱的部分會暴露出來。只要製造足夠的恐懼和猜疑，嫌疑人之間就會互相出賣。
第一個崩潰的是金生火。他在酷刑面前毫無抵抗力，為了自保拼命檢舉他人。但他提供的資訊都是些雞毛蒜皮的小事——他確實不是「老鬼」，只是一個貪生怕死的庸人。
白小年也很快暴露了軟肋。王田香查到了他不為人知的私人秘密，以此要挾。白小年在屈辱和恐懼中精神崩潰。一天夜裡，白小年被發現死在了裘莊裡——他的死因成了新的謎團。
互相出賣
隨著審訊的深入，裘莊裡的氣氛越來越壓抑。每個人都在懷疑其他人，每個人都在試圖把嫌疑推到別人身上。
李寧玉和顧曉夢之間的關係尤為複雜。兩人表面上互相支持，暗地裡卻各懷心思。李寧玉懷疑顧曉夢就是「老鬼」，因為顧曉夢的行為有太多說不通的地方。顧曉夢也在暗中觀察李寧玉——她需要判斷李寧玉是敵人還是可以信任的同志。
吳志國是最強硬的一個。無論武田用什麼手段，他都不開口。他被施以各種酷刑，遍體鱗傷，但始終一口咬定自己什麼都不知道。他的沉默讓武田越來越懷疑他就是「老鬼」。
金生火在又一輪審訊中被折磨致死。五個人只剩下三個。
顧曉夢的選擇
真相逐漸浮出水面。
顧曉夢就是「老鬼」。
她從一開始就知道自己很可能走不出裘莊。但她面臨一個比活命更重要的任務：她截獲的那份情報——日軍即將對地下組織發動突襲——必須傳遞出去，否則無數同志將會犧牲。
但裘莊被嚴密封鎖，沒有任何通訊手段。她必須找到一種方法，在武田的眼皮底下把消息送出去，同時不能暴露自己的身份——因為一旦暴露，武田就會知道情報已經洩露，反而會提前行動。
顧曉夢想出了一個方案：她必須讓另一個人活著離開裘莊，帶著她的情報。而這個人不能知道自己攜帶了情報——這樣即使被搜身也不會露餡。
她選擇了李寧玉。
顧曉夢在李寧玉的旗袍上用針線縫上了莫爾斯電碼——那些看似裝飾性的針腳，實際上是一串密碼訊息。李寧玉作為譯電專家，只要有人提示她去看衣服上的針腳，就能破譯出情報的內容。
結局
為了確保李寧玉能活著離開，顧曉夢必須讓武田相信「老鬼」已經找到了——而且不是李寧玉。
顧曉夢在最後一次審訊中故意露出破綻，將嫌疑引向自己。武田確認了她就是「老鬼」。
顧曉夢服毒自盡。死前，她留下了一段獨白：「我身在煉獄留下這份記錄，是希望家人和玉姐原諒我此刻的決定。但我堅信，你們終會明白我的心意。我親愛的人，我對你們如此無情，只因民族已到存亡之際，我輩只能奮不顧身，挽救於萬一。我的肉體即將隕滅，靈魂卻將與你們同在。敵人不會了解，老鬼、老槍，不是個人，而是一種精神、一種信仰。」
吳志國活了下來。他也是地下組織的人——代號「老槍」，是顧曉夢的上級。兩人在裘莊中表面上互相攻擊、互相出賣，實際上是在配合演戲，目的是讓至少一個人能夠走出去。
李寧玉也活著離開了裘莊。多年後，抗戰勝利。吳志國找到了李寧玉，告訴了她真相，並提示她去看顧曉夢當年縫在她旗袍上的密碼。李寧玉終於讀懂了那些針腳背後的含義——那不僅是一份情報，也是顧曉夢留給她的最後告別。