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1945年初，国民党军统总部情报处的余则成接到重要任务，和上级吕宗方赴南京潜入汪伪政府，暗杀叛逃的李海丰。吕宗方初到南京便遭枪杀。余则成单枪匹马暗杀了李海丰，得到军统的嘉奖，晋升为少校。
这时，共产党特使突然告诉他吕宗方的真实身份是地下党。更让余则成惊讶的是，深爱的女朋友左蓝也是共产党。根据吕宗方对余则成的评价，特使希望余加入地下党。
余则成无意中发现戴笠等人为了私利而向日军泄露新四军情报，也彻底看清楚国民党失去民心的原因，加上左蓝的劝告，遂弃暗投明。
党组织要求他留在军统，潜伏待命，代号“峨眉峰”。余则成受命到军统天津特务站，站长吴敬中要求他把夫人接来。党组织给他派来了大方朴实、泼辣耿直的女游击队长翠平，让两人做起了假夫妻。练过功夫、枪法如神的翠平不适应吃西餐、打麻将的官太太生活，闹出不少笑话，多次强烈要求离开，二人在生活细节和性格上也冲突不断。1946年1月，国共双方开始“军调”。余则成发现中共派来的军调人员中竟然有左蓝。余则成将军统在中共代表身边布下的监视特务名单交给左蓝，并公之于众，首战告捷。
特务站内部明争暗斗。站长动用潜伏在延安的特务“佛龛”调查左蓝和余则成的关系，行动科长马奎还抓捕了余则成的联络员秋掌柜。余则成与左蓝利用特务站陆桥山与马奎的争权夺利，将“峨眉峰”的帽子戴在了马奎头上。最后，马奎被转运时逃脱，而左蓝挖出“佛龛”，用他换回了受尽酷刑的秋掌柜。身份暴露的“佛龛”李涯分配回到天津，他提议让余则成策反左蓝，以测试余则成。得知左蓝不从，李涯决定杀害左蓝。他让马太太电话通知左蓝晚上在某地见面，马太太无奈答应，余则成让翠平中途去拦截左蓝。眼看就要成功，不料途中横杀出咆哮着寻仇的马奎，一番激战，左蓝和马奎互射身亡。左蓝的牺牲让翠平第一次看到地下斗争的残酷，开始慢慢理解余则成的潜伏工作，两人渐渐有了默契。余则成和李涯联手，几经争斗，陆桥山被迫调走，余则成晋升为天津站副站长，获得了更多情报。
余则成
演员孙红雷
余则成本是重庆军统的外勤，后随上司吕宗方（共产党地下情报人员）前往南京汪伪政府刺杀叛徒李海丰。不想余则成独自完成任务后身份暴露，被追杀，危急之时被共产党救下。得知军统特务头子为运送私产向日本人提供军火，余则成失去了对国民党的信任，加上未婚妻左蓝的影响，余则成决定秘密加入共产党，并返回重庆进行潜伏。余则成作为英雄被授予嘉奖，并被派往军统天津情报站（后改名为保密局）工作。经过巧妙的周旋和数次化险为夷，余则成先后除掉了情报站行动队队长马奎、情报处处长陆桥山等人，并升任副站长。解放前夕，满怀期待的余则成却被站长硬拉到了台湾，继续潜伏。
王翠平
演员姚晨
为配合余则成潜伏而同余则成结成名誉夫妻。是顶替出了事故的妹妹被党组织临时派来救场的，余则成根本不认识她，所以来接她时心里也忐忑不安。谁知，她一出场亮相，就令人眼前一明，耳目一新：一个没出过黄土高坡、没见过世面、咋咋呼呼、没有文化、没有教养、懒散散、土得掉渣的女人猛然出现在大家面前。她开始和余则成常有摩擦，后逐渐有了默契，行为做事也日渐成熟。几次暗中帮助余则成完成任务，二人碰撞出爱情的火花，结为真夫妻，并为丈夫生下一女。
李涯
演员祖峰
李涯曾为军统青浦特训班行动班学员。1937年参加金山卫战斗，深受班主任余乐醒重用。41年时被介绍给天津站站长吴敬中，然后去了重庆。44年从天津成功地到了延安，在延安的第二保小任自然课教员，化名冯剑，代号佛龛。李涯是余则成在天津站中最大的敌人，接替马奎出任行动队队长的他，原本是潜伏在延安的，代号佛龛的国民党特务。因而非常狡猾！更是十分具有特务潜质。回到天津站后，多次调查余则成夫妇的身份，几度使余则成的身份险些暴露，最后被廖三民抱住摔下楼而死。
吴敬中
演员冯恩鹤
保密局天津站头号狠角色。当年也曾是意气风发的北伐国民革命军，年纪大了，看透世事，处世为人老奸巨猾，疯狂敛财。他拿“副站长”的位子作诱饵，任凭几个手下为了这个位置斗得你死我活。他自己则坐山观虎斗，稳坐站长之位；利用心理上天然亲近的“师生关系”，钦点余则成来天津站，目的并非看重其工作能力，而是为中饱私囊找一个放心的代办人。
陆桥山
演员吴刚
身为情报处处长，陆桥山的“主业”却是排挤马奎和李涯，他的工作不在窃取情报，而是如何当上副站长，甚至取代站长。不想最后他搬起石头砸自己的脚，在陷害过马奎之后，自己也被李涯陷害，只得离开天津情报站。吴刚塑造的陆桥山油滑可笑，他身在情报站却又似乎置身事外，尤其是当他离开前拍着余则成的肩膀说他是真朋友时，这个小人物的自食其果着实令人深思。为了报复，他以国府巡查员的身份回到天津作威作福，最终死在翠平的枪下。
马奎
演员范雨林
军统天津站前行动队队长，嗜杀、狠厉，极具硬汉做派，曾奉命秘密刺杀吕宗方。后在天津破获中共地下组织，一度成为极其危险的人物。余则成与左蓝一起设计陷害马奎，最终由左蓝将其击毙。
《潜伏》和《团长》是今年最火的两部电视剧，此次“白玉兰奖”被看作是这两部作品之间的PK。最终毫无悬念，《潜伏》大胜《团长》，国家广电总局副局长张海涛亲自为《潜伏》剧组颁发了最佳电视连续剧金奖。“白玉兰”评委会给《潜伏》极高的评价：“这是一部在全国产生巨大影响以及受广大观众喜爱的连续剧，精彩的情节与鲜明的人物塑造很好地结合在了一起，把此类题材的电视剧提到了一个新的高度。”
评委之一的马中骏告诉记者，其实这次评选不像外界那样有任何悬念，基本是一边倒的投票。“评委（的观点）没有出现分歧，《潜伏》得到评委们的一致推崇。”另一位评委邓萃雯也毫不掩饰自己对《潜伏》的喜爱，笑称自己被小眼睛的孙红雷迷住了，潜伏热度之高导致剧中绿色台灯热卖，一度脱销
《潜伏》是一个关于信仰的故事，融合了幽默、言情、悬疑、智斗等诸多元素，着力表现特殊年代中地下工作者的奋斗与牺牲，使观众大呼过瘾（网易娱乐评）。
《潜伏》情节紧凑、开场就有悬念，孙红雷的知识分子形象和悬念迭起的刺杀行动一开场就吸引观众，并迅速进入正题；温柔对白，恋人情谊让人感动，除了刺杀行动，余则成和左蓝的会面很招观众喜欢（国际在线评） ；除了主角的精彩表现外，“绿叶”的表现也是可圈可点：老谋深算的吴站长、匹夫之勇的马奎、阴险小气的陆桥山、心狠手毒的李涯等都起到了“绿叶”的作用（成都晚报评）。
《潜伏》打破了以往谍战剧的一贯严肃作风，几乎每一集都安排搞笑成分；《潜伏》就像一部职场攻略剧，余则成巧妙地处理了自己与站长吴敬中、“同事”马奎、陆桥山和李涯的复杂关系，为白领们写了一部活生生的“职场攻略”（东方早报评）
