故事發生在1925年，進步女孩鐘麗（唐嫣飾）在振興民族的愛國熱情鼓舞下，報名參加了國家***期間的第壹期合作特訓班，與羅亦菲（王迪飾）、譚瑞玲（呂壹飾）這兩個女孩被分配到壹個小組，在殘酷的訓練和執行任務的過程中結下了深厚的友誼。
進入特戰隊後，羅亦菲和鐘離因為外派名額反目成仇，而柔弱的譚睿玲則被特訓班最高指揮官高義山重用。隨後，三位姑娘在高義山（張晞臨飾）的帶領下加入了特別行動隊，為北伐戰爭立下了汗馬功勞。
在這個過程中，鐘離蛻變成長為壹個堅定、熱情、進步的有誌青年。在壹次行動中，鐘離和他的上級精英特工賀俊峰（羅晉飾）意外相遇，性格迥異的兩人卻宿命般地擦出了愛的火花；他們是歡喜冤家，平日裏無緣無故掐架；他們又是生死搭檔，關鍵時刻不問緣由互幫互助，出生入死完成使命。
《X女特工》主要人物
1、鐘麗
女性，相貌略顯中性，為人豪爽真誠，天生具有俠肝義膽，為所當為，好打抱不平，保護弱者，天真善良，心性相同，因身懷絕技被人看重，進而進入特工培訓班，成為壹名 "最不像特工的特工"。鐘離性格沖動、不守紀律，經常打亂任務部署，卻總能化險為夷，奇跡般地完成任務，讓上級頭疼的同時，也驚嘆於他的特工天賦。
2.賀俊峰
男，30 歲，英俊瀟灑。留蘇多年，精通國際最先進的諜報技術，是組織中的精英將領。他為人正直，有情有義。多年來，他壹直牽掛著已故的未婚妻，對她念念不忘。但他又情不自禁地將目光投向了另類特工鐘離。為了鐘離，他屢屢違背原則，最終以身犯險。