《双栖间谍》以“西安事变”后国共两党再次合作为背景。1937年，中共中央派周恩来副主席前往南京，与蒋介石商谈联合抗日的具体事宜。为确保会谈顺利进行，中共中央联络部副部长张智彤以中共特派员身份先赴南京筹备，并领取了与蒋介石直接联络的密电码。党中央随后命令边疆区保卫副局长李大欣率领精干小分队，负责保护张智彤的安全。
与此同时，青岛日本特务机关长官原野从潜伏在中共内部的3号间谍处获悉相关情报，便将狱中的死刑犯龙旗和余虹释放，派他们前往南京执行“天狗吞月”计划：刺杀张智彤，并嫁祸于国民党，以破坏国共合作。中共方面也从潜伏在日本特务机关的28号同志那里得到密报，得知队伍中混入了汉奸，于是派出由贾腾示带领的武装小分队，暗中保护张智彤。国民党军统局同样收到潜伏日方的间谍密电，随即派段处长率特别行动组，与中共方面联手粉碎“天狗吞月”计划。
行动过程中，龙旗与余虹发生火并，原野对龙旗产生怀疑，便派4号间谍江洋小姐潜入南京监视，命她先杀死张智彤，再除掉龙旗。中共接到28号同志的急电后得知，日本4号间谍已经混入武装小分队，并不断向龙旗提供张智彤的行踪。最终，张智彤
