上世纪30年代末，古老的中华大地正经受着最为苦难的时刻。外有日寇铁蹄进犯，内有不同派别势力的斗争碾压，战火连绵，生灵涂炭。为了获取重要的情报，共产党方面派出周乙（张嘉译 饰）和顾秋妍（宋佳 饰）假扮夫妻，潜入哈尔滨的警察厅特务科。周乙被任命为特别行动队队长，但他的真实身份一直受到高科长（程煜 饰）的怀疑。
刑警刘鸿涛是个破案高手，同事们把他的名字颠倒过来，昵称“神探红桃六”，不料由此让刘鸿涛陷入麻烦。最近几个犯罪现场都发现了一张红桃六的扑克牌，为查明真相，刘鸿涛顺藤摸瓜，查到犯罪团伙联络人马燕。不料马燕却突然死亡，线索中断，刘鸿涛从此坠入层层迷案之中。经过努力，刘鸿涛查到杀害马燕的凶手，不料此人竟是自己过世战友妹妹的男朋友——李晓军。在刘洪涛的多方调查的证据面前，李晓军交代了一个代号“红桃六”的幕后黑手一直在暗中帮助自己隐藏犯罪事实。为抓住“红桃六”，刘鸿涛在上级领导的精心布置下，让李晓军做了线人。就在刘鸿涛锁定嫌疑人时，自己却被诬陷成是暗藏的“红桃六”。刘鸿涛将计就计，让罪犯“红桃六”误以为诡计得逞。刘鸿涛最终将真正的“红桃六”抓捕，破获一个和腐败官员相勾结的犯罪团伙，洗脱了自己的嫌疑。
该剧讲述的是在民国时期，圣城大学校长离奇死亡，以暴力女陈曦，浪荡公子但推理能力满分的裴岩，市长的儿子英俊和八卦宫家传人宫紫组成的的侦探小组联合调查命案，随着调查的深入，神秘组织梅花Q渐渐浮出水面，还有许多看不见的敌人，一股暗流在圣城的水里不知不觉的漫延开来，事情似乎越来越超越他们的理解。他们面对重重疑案，齐心协力，誓将真相进行到底。
