《零下三十八度》的剧情发生在上世纪四十年代的东三省，背景设定在伪满统治下的动荡时期。剧中，外科女医生常青和电影放映员年定邦是一对恩爱夫妻，但他们都各自背负着不为人知的秘密使命。常青是中共地下党员，秘密为抗联提供药品；而年定邦则是诈死隐居的国民党特工，曾经力主抗日。

一次意外，他们得知日军有大批军火秘密入华，常青决定留下阻止，而年定邦虽不知情，却也因种种事件被卷入其中。夫妻俩为了国家和彼此的安全，不得不互相隐瞒身份，同时也因此产生了许多误解和隔阂。

在多次的交锋和合作中，他们逐渐理解了彼此的信念和付出，也体会到了抗联战士的英勇和大无畏精神。最终，在战火的洗礼下，两人坦诚相待，携手完成了任务，共同为抗战胜利贡献了力量。