故事发生在1941年的北平，日伪统治下的古城暗流涌动。日本特务机关长武田弘一为铲除地下抵抗组织，布下天罗地网，而代号“夜莺”的中共地下党员沈慕云，正潜伏在伪政府内部担任机要秘书。她在传递重要情报时，与回国调查兄长死因的燕京大学数学教授周砚白意外相逢。 周砚白在追查中发现兄长之死与武田的“零号计划”有关，这个计划旨在摧毁北平的地下情报网。沈慕云为获取计划详情，不得不与周砚白保持若即若离的关系，却在一次次生死交锋中，发现这位儒雅教授竟是自己失散多年的童年挚友。两人在猜疑与试探中逐渐结成同盟，周砚白利用数学天才破译日军密电，协助沈慕云多次化解危机。 当武田设下圈套准备收网时，沈慕云为保护交通站同志身份暴露。危急关头，周砚白不惜以身作饵引开追兵，在枪林弹雨中身负重伤。沈慕云抱着血染长衫的周砚白跪在教堂废墟里，听他笑叹“早该认出你眼角的朱砂痣”。最终周砚白用生命为代价摧毁“零号计划”，而沈慕云带着他未完成的使命，继续行走在黎明前最深的黑暗里。