《双栖间谍》影片讲述了1937年“西安事变”后国共两党展开第二次合作的故事。中共中央派周恩来前往南京与蒋介石商议抗日事宜，为确保会谈顺利，中共中央派遣特工张智彤先行，他携带着与蒋介石直接联络线路的密电码。中央领导派遣边疆区保卫副局长李大欣带领小分队保护张智彤。在青岛，日本特务机关长官原野得到内部间谍情报，派遣死囚龙旗和余虹前往南京刺杀张智彤，破坏国共合作。中共发现队伍中有汉奸，派贾腾率领小分队保护张智彤。与此同时，国民党军统局得到日方密电，派段处长特别行动组参与“天狗吞月”计划。龙旗和余虹意外交火，引发一系列连锁反应……