1940年，中国战场进入中日双方相持阶段。为加快侵华步伐，日军秘密推进骇人听闻的细菌战计划，并着手加紧研究细菌武器。医生金深水从南京大屠杀中死里逃生，辗转来到日军设立的“保甲模范区”桃花镇。一次偶然的救人，让他救下了生化专家白大怡，也由此被卷入一连串扑朔迷离的事件。
表面上歌舞升平的桃花镇，随着调查逐渐露出残酷真相：惨无人道的细菌人体实验、恐怖致命的人脑控制药物实验相继浮出水面。在党组织的指导下，金深水与狡猾凶残的敌人周旋，数度置身生死险境。最终，在同样背负着国仇家恨的女医生林婴婴以生命为代价的掩护下，金深水联合新四军和游击队，彻底消灭了桃花镇的日军，并揭露日军利用人体进行细菌实验的种种罪行。经历血与火的考验后，他也从一名普通的爱国青年成长为一名优秀的共产党员。
