1949年，新中国成立伊始，局势表面趋于平静，暗中的较量却已悄然展开。败退台湾的国民党不断向大陆派遣特工，试图制造破坏。为应对接连发生的行动，中共成立情报部门701局，与敌方展开周旋。
同年10月初，701局掌控的侦听局突然失去踪迹。为查明电台消失的原因和下落，701局负责人老鬼（王学兵 饰）命令代号二〇〇的张学宁（周迅 饰）前往上海，寻找一位拥有非凡听力的钢琴调音师罗三耳。经过一番波折，学宁最终找到的却是罗三耳的徒弟阿兵（梁朝伟 饰）——一名同样听觉惊人、双目失明的调音师。
阿兵凭借出众的能力通过了重重严格考验，并在实际工作中迅速展现出惊人的才华。在步步惊心的谍报较量里，他与张学宁并肩作战，彼此之间也在不知不觉中萌生了微妙情愫。
