故事发生在1925年，进步少女
钟离（
唐嫣 饰）在振兴民族的爱国热情激励下，报名参加了国共第一次合作期间的特训班，和 罗逸菲（
王笛饰） 、
谭睿玲 （
吕一 饰）两个女孩分到一个小组，在残酷的训练和执行任务过程中结下深厚的友谊。进入特别行动组后，因为一个外派名额，罗逸菲和钟离反目成仇；柔弱的谭睿玲则被特训班最高指挥高义山利用。随后，三个女孩又先后进入了高义山（
张晞临 饰）主持的特别行动队，为北伐战争作出重大贡献。没想到国民党却很快背离自己的初衷，开始清除异己，钟离对行动队的正义产生了怀疑。上司何芸（洪京京 饰）为保护钟离牺牲，钟离大受震撼和教育，在最艰苦的环境下，孤军战斗，保护了一大批进步人士，而且多次挽救罗逸菲和谭睿玲，揭穿高义山的反动面目，帮助她们找到正确的人生方向。在此过程中，钟离蜕化成长为一名坚定的有信念的热血进步青年。在一次行动中，钟离与上司精英特工贺俊峰（罗晋 饰）意外相遇，性格迥异的两人却宿命般地迸发出爱情的火花；他们是欢喜冤家，平日生活毫无来由的对掐；他们也是生死伴侣，关键时刻不问原因的互助，出生入死的完成一次次任务。
③吕一与林永健在《
毕有财》的父女档为观众留下深刻印象，而两人的合作在《X女特工》中也继续延续，玩起了“角色游戏”，从催泪的父女情变成了扑朔迷离的“情侣关系”。
《X女特工》中有很多雷人片段，如第一集中，就有许多现实中不可能出现的情节，例如“隐形油漆”居然能让整节火车从人的视线中消失，人穿吸铁石能“粘”在火车上。特训班的成员们不仅能徒手爬上楼顶，还能不借助外力把玻璃吸在手掌上等雷人画面。而且片中一些过于赤裸和直白的行刑镜头对大多数青少年观众不是最佳的引导方式。