《X女特工》1925年，进步少女钟丽钟丽（唐嫣饰）在爱国兴国热情的鼓舞下，与罗一飞（饰王迪）和谭瑞玲（陆毅饰）。女孩们被分成小组，并通过艰苦的训练和任务建立了牢固的友谊。一次手术中，钟离与上司的精英特工何俊峰（罗晋饰）意外相遇，性格迥异的两人却迸发出了命中注定的爱情火花。罗一飞和钟丽因为特战队分配的名额而反目成仇；弱小的谭瑞玲被特训班的最高统帅高一山利用。随后，三个女孩首先加入了以高一山为首的特战队，为北伐做出了重大贡献。但行动组清除异见者的举动，让钟离怀疑行动组的公正性。何云老大为了保护钟离牺牲了。钟离大为震惊和受教。在最艰难的环境中，他孤军奋战，保护了一大批进步人士。他还多次帮助罗一飞和谭瑞玲，暴露高一山反动的面目，帮助他们找到准确的人生方向……