《X女特工》讲述了1925年的故事。怀抱振兴民族理想的进步少女钟离（唐嫣 饰）报名参加国共第一次合作期间举办的特训班，并与罗逸菲（王笛 饰）、谭睿玲（吕一 饰）被分到同一小组。三人在严酷训练和一次次任务中并肩作战，逐渐建立起深厚的友谊。
一次行动中，钟离意外结识了上司、精英特工贺俊峰（罗晋 饰）。两人性格截然不同，却在命运安排下产生了爱情。特别行动组的外派名额引发了罗逸菲与钟离之间的矛盾，柔弱的谭睿玲也被特训班最高指挥高义山利用。此后，三个女孩先后加入由高义山主持的特别行动队，为北伐战争作出了重要贡献。
然而，行动队不断清除异己的做法，使钟离开始质疑其所谓的正义。上司何芸为保护钟离牺牲后，她受到强烈震撼和教育。在最艰难的处境中，钟离独自奋战，不仅保护了众多进步人士，还多次挽救罗逸菲和谭睿玲，最终揭穿高义山的反动面目，帮助两位姐妹重新找到了正确的人生方向。
