我冀中抗日根据地定县（今
河北省保定市定州市）李向阳奉上级指示要炸毁敌军藏匿的军火，他越封锁沟，烧炮楼，一出现就给鬼子来了个下马威。由于叛徒告密，小分队几乎全军覆没。在李向阳个人魅力感召下，兵油子老侯，神偷郭小北，憨傻的崔福贵开始与李向阳并肩作战。他们潜入松井派重兵设伏的矿洞，将计就计，干掉叛徒，炸掉了军火库。
化学武器专家柳川，来到河北定州县城，准备对化学武器进行最后活人测试。却被李向阳设伏，被土匪老二疤子抢走运毒车。土匪老三中毒身亡，神偷郭小北也因中毒生命垂危，崔福贵由于身材魁梧被鬼子抓去准备做活人试验，竟被他巧妙躲过，老侯和老二疤子被俘，危在旦夕。李向阳急中生智，带领武工队员打通试验场的地道，成功救出老侯、崔福贵和老二疤子，烧毁了鬼子的
生化武器。
游击专家德康，秘密训练了一支假武工队，骗取了自称李向阳媳妇的侠女杨大脚的信任，险些使李向阳全军覆没。老二疤子叛变，认出了在松井家当家庭教师的特派员穆兰，穆兰被抓受尽了折磨。假武工队挨村收缴农民的粮食，企图从根本上摧毁李向阳的生存根基。李向阳将计就计，以自己为诱饵，骗取鬼子大量粮食，即救济了灾民，又利用松井消灭了德康和他的假武工队，打死了叛徒老二疤子,穆兰重新获得了松井的信任。
严密的县城防御图，城防图成为决定攻破县城战役的成败。特高课女特工川子绑架了松井的侄子，来到武工队，并获得了老侯的爱慕。同时制定了连松井也不知道的焦土计划。杨大脚化妆秘密进入县城，盗取了假的城防图，负伤被俘。李向阳送回松井的侄子，以假化学武器要挟，换回了以生命垂危的杨大脚，她含笑死在李向阳怀中。较量开始了，丁大头为了吸引鬼子主力，壮烈牺牲。老侯假传密令，让渡边炸死了自己的主力。穆兰为掩护李向阳被他的学生开枪打死，松井终于死在李向阳的枪下。川子死在老侯的枪下，不为人知的焦土计划的导火索，竟被小郭的一泡尿浇灭。总攻开始了，李向阳配合主力部队最终占领了定州县城。
《双枪李向阳》改编自1955年郭振清主演的红色题材电影《
平原游击队》，当制片方找张嘉译来演李向阳的时候，而以李向阳为偶像的他原本没有自信，但是制片方认为他身上那种亦正亦邪的气质非常符合智谋过人的李向阳形象。
张嘉译进剧组第一天就追着道具师要来双枪培养感觉，拍戏时还装上假子弹。由于天天揣着枪“打鬼子”，他双手虎口都被震裂，涂了药，拍几场戏又裂开；拍完该剧，张嘉译双手虎口都结了层厚厚茧。
《双枪李向阳》的成功很大程度上归功于该剧对抗战题材电视剧的创新，大胆的加入喜剧元素，跳脱以往战争剧的沉重感，让战争题材的电视剧变得更加人性化，使观众们在观看影片的过程中更加轻松愉悦。赵纯阳对“鬼子”松井的演绎也使日本兵的形象变得更加丰满立体，坏的有理由、有原因、有层次（金鹰网评）。
这部改编自《平原游击队》的剧作加入很多戏剧效果，故事设计巧妙，几个性格迥异、各具光彩的人物很快抓住了观众的眼球，而张嘉译版李向阳有勇有谋、机智幽默的形象也增加了不少亲和力。最重要的是，向来给观众沉稳感觉的张嘉译首次发挥了自己的喜剧天分，这更让大家耳目一新，深深地投入到这部红色轻喜剧当中（腾讯娱乐评）。