1937年8月初，規模空前的淞滬會戰即將在遠東第一大都市上海爆發，中國最高統帥部決定“先發制敵”，一舉殲滅長江上的所有日艦和日本海軍陸戰隊，贏得戰爭的先機。在一艘開往上海的巨輪上，剛從中央大學放假歸來的女學生藍胭脂(趙麗穎 飾)和馮曼娜(陶昕然 飾)正在玩一場間諜游戲。馮曼娜用簡筆畫下游客們的大致外形，而藍胭脂扮成瞎子穿過甲板上密集的人群，純粹通過聲音判斷他們的長相和身份，竟然完全正確了。一心想成為秘密特工的胭脂十分開心。但是一場真正的間諜抓捕行動其實正在船上發生。軍統刑偵隊隊長宋勉(袁文康 飾)帶領手下徐濤老喬(劉彥卿 飾)等人正在尋找日本特務，胭脂變裝被宋勉發現，當成了可疑人物拷在了機輪艙里。日本特務龍二與純子出現，宋勉立刻抓捕了龍二，純子在被老喬抓捕之前將重要情報藏入了一枚胭脂盒中。胭脂利用自己手小的優勢掙脫了手銬，她以為宋勉他們是敵方特務，想要和曼娜一起找船長報告。宋勉在船艙中審問龍二時不慎被龍二拿到偷藏的刀片逃脫，龍二掏出艙后正好遇見急急忙忙的胭脂，將她抓為人質。雙方對峙中，機智的胭脂利用甲板上的一灘機油使龍二滑倒乘機逃脫。