1945年，抗日战争已近尾声，日本关东军仍做最后挣扎，为扭转败局，将希望寄托在最后一棵“救命稻草”细菌战上，妄图用生化武器拼死一搏。
东京特使河野夫把陆军总部即将启用的“细菌珍珠港”计划，传达给满洲某生化部队石原博士（首席病毒研究专家），并督促他抓紧时间研究细菌武器，一旦美国登陆日本本土，就将采取“细菌计划”，同时还要防范苏联红军对日关东军的进攻。
石原加紧新病毒的实验步伐，用战俘刘大鹏做活体实验。刘大鹏是义勇军团长，在一次被俘后被送到生化部队，石原在他身上试验成功最新研制的病毒。没想到刘大鹏却趁机逃出了研究所。
为阻止细菌武器研究计划的泄露，石原命令保密队队长川岛四处抓捕住刘大鹏。关键时刻，刘大鹏被李梦云所救。李梦云表面上担任满蒙日和慈善医院副院长的职务，同时又是石原博士的学生，实际上是雪城中共地下党组织的负责人。
李梦云一方面和石原，川岛做周旋，另一方面积极寻找病毒的抗体，为救治刘大鹏做努力。这期间，李梦云和刘大鹏两人产生刻骨铭心的爱情。李梦云结合侦察机飞行员拍的照片，怀疑石原的研究所，很可能就是日本人的细菌武器研究基地，而只有刘大鹏进过研究所，他是解开这些谜团唯一的钥匙。刘大鹏也积极配合李梦云，再次进入研究所，搞清楚了雪城生化部队的真相。
刘大鹏重整义勇军残部，在李梦云领导下，开始有组织地同日本人对抗。经过与日本人一番斗智斗勇，扣人心弦的斗争，李梦云通过内应，窃取到了日军在中苏防线布置的生化武器防御图。李梦云冒着生命危险，闯过日本人的重重关卡，在苏军大部队进攻前夕，越境将部署图交到了苏军大本营考夫斯基将军手里。
李梦云和刘大鹏粉碎了日军大规模使用生化武器的阴谋，为苏军顺利解放东北扫清了障碍...