解放战争时期，在国民党白色统治下的上海，由于叛徒的出卖，我打入敌军统保密局特务组的地下工作者刘啸尘的联系人周甫祥被敌人杀害。党组织派史秀英接替周甫祥的工作。当叛徒黄显才再次向特务组长冷铁新告密时，认出了刘啸尘。刘啸尘当机立断，打死特务组长冷铁新和黄显才，然后用自伤欺骗敌人。新来的特务组长张仲年以照顾刘啸尘为名，派特务余云禄监视他。为了进一步对刘啸尘进行考察，张仲年在刘啸尘刚刚伤愈时，派他和余云禄去侦察一个秘密会议。刘啸尘识破圈套，奋力与伪装共产党的特务搏斗，并打死张仲年的一个心腹，从而博得了张仲年的信任。还与史秀英接上了关系，并根据组织提供的材料，利用一个被我在战场上打死的张仲年的老同学的关系，进一步取得了张仲年的信任，不久即被提升为张仲年的贴身秘书、少校副官。
刘啸尘利用自己的位置，机智勇敢地战斗在敌人心脏，有力地保护了上海的学生运动和工人运动。为了破坏我党地下组织，张仲年精心策划了一个阴谋，派特务行动队长杨玉林抓捕我工人罢工领导者。刘啸尘立即将这一情报通知史秀英，并决定与杨玉林一起去执行“任务”。路上，杨玉林认出了正去给罢工领导小组送信的史秀英，急令追捕。刘啸尘设计阻延，使史秀英得以脱身，及时给罢工领导小组报了信。敌人的阴谋再次破产，张仲年为此恼羞成怒。刘啸尘巧妙地利用敌人内部的矛盾，使张仲年因为这次行动的失败而处决了杨玉林。
上海解放前夕，张仲年制定了国民党撤退后的特务潜伏计划。为了得到这个计划，刘啸尘争取了管理档案的阿纪，使阿纪弃暗投明，把敌人的潜伏计划文本交给了刘啸尘。当他们正要撤离时，被突然出现的张仲年和特务“老三”截住。千钧一发之际，“老三”突然掉转枪口，击毙了张仲年。原来，“老三”是我党地下工作者常亮。刘啸尘在战友们的配合下，胜利地完成了任务。
陈少泽：电影是根据吕铮小说《战斗在敌人心脏里》改编而成。小说作者曾经是地下工作者，小说是根据他和战友的经历而写成的。电影从1978年夏天开拍，当时“文革”刚刚结束，很多地下工作者在“文革”期间受到迫害。我们拜访的一些老同志，身上已经看不见当初他们叱咤风云的风采。他们告诉我，当年地下党是“把脑袋别在裤腰带上，战斗在敌人心脏里”，他们有这样的本事——坐在这间办公室，如那屋有人在拨电话，他拨的什么号、打给谁的，都能听得出来。这让我有种特别强烈的愿望，想把他们的机智拍出来。