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1945年，大日本帝国|日本在全球多地陷入太平洋战争|苦战，侵华日军第七三一部队罪証陈列馆|侵华日军第七三一部队在哈尔滨市平房区 (哈尔滨市)|平房区以“给水防疫”为名，秘密进行惨无人道的生物战|细菌战研究，大肆抓捕平民、战俘进行活体实验，妄图发动“夜樱作战|夜樱计划”，以鼠疫跳蚤袭击同盟国 (第二次世界大战)|同盟国，以此扭转败局。小贩王永章（姜武饰）假扮成功越狱的东北抗日联军|抗联战士王子阳，并企图借此身份牟利，甚至打算非法复制「石井式滤水器」并于全国贩卖，不料却引来日军抓捕。他和其他被捕的百姓一起被关入由石井四郎（平田康之饰）创办的监狱，日军以“配合健康检查与防疫研究即可换取自由”的虚伪承诺，为囚犯们供应足量的健康饮食，以此骗取囚犯们的信任。

由于粗略掌握日语、俄语、朝鲜语|朝鲜语，王永章被女军官今村佳代（冯文娟|冯文娟饰）选中担任翻译和劳动员，负责为囚犯送餐。狱中定期会有囚犯“获释”，王永章和狱友也渴望可以“获释”，但在工作过程中，他意外发现了日军拍摄的毒气实验影像及被害同胞的遗体，方才顿悟所谓的“获释”，其实就是成为日本人的试验品，王永章由此开始策划越狱。在南京市|南京人杜存山（王志文饰）、小魔术师孙明亮（林子烨饰）和孕妇林素贤（孙茜|孙茜饰）的帮助下，越狱计划有条不紊地进行着准备。被关押时间最长的杜存山平时装疯卖傻，但实际上却早已暗中计划着要逃离，他绘制了监狱的地形图，并偷偷藏了牢房的钥匙。

然而，越狱计划因一名日军青年兵被杀而被打乱。杜存山为了保护杀人的王永章，保留狱友们的越狱希望，在今村佳代搜查疑犯时公然顶撞，被今村一刀捅死。杜存山的死后，王永章用其留下的地形图和钥匙重整计划，并选在日本人庆祝博多祇园山笠|山笠节、武备松弛的这一天，组织狱友集体越狱。赤手空拳的囚犯们最终没能越狱成功，石井四郎和今村佳代当着王永章的面活体解剖了林素贤，并取出了她腹中足月的胎儿。

日军终于研发出了效果极佳的鼠疫疫苗，而越狱失败的囚犯们被押送到哈尔滨郊外，以供接种了疫苗的日军进行鼠疫跳蚤实验。囚犯们试图逃脱，却遭到身穿防疫服的日军们的扫射。退无可退的囚犯们掉进了炸弹炸出的巨坑，王永章和其他囚犯为救年纪最小的孙明亮，甘愿做人梯助其脱险。孙明亮爬出巨坑后，旋即遭到日军射击，他用最后的力气拖拽着一名日军，和他一起坠入深坑。