天启七年，北京城南的明时坊内，时任北镇抚司百户大人的沈炼（张震饰演）正在金陵楼调查一起案。彼时，衙门值夜班的总旗凌云铠（武强饰演）企图接管此案，却被沈炼先行调查。一场纷扰之中，殷澄不慎说出了些旁门左道之言。这些话被凌云铠记录在无常簿上，他认为殷澄散播了诋毁朝廷的妖言。愤怒之下，凌云铠欲将殷澄投入诏狱。殷澄觉察形势不妙，匆忙逃脱。沈炼出于澄相的目的，决定追捕殷澄归案，但不幸的是，殷澄在沈炼面前自刎身亡。
陆文昭密令凌云铠铲除北斋先生（杨幂饰演）。背后的真正指使者实为信王。某日，凌云铠前往北斋的居所进行追杀，沈炼亦尾随而至。他表面上是协助凌云铠，实际上是为了见识北斋先生的画作。危急关头，凌云铠意图侵犯北斋，却被沈炼及时制止。为此，凌云铠在无常簿上诬陷沈炼与逆党勾结。沈炼无奈，只得痛下杀手，结束了凌云铠的性命。北斋趁机逃脱，沈炼随后追赶，但因伤势过重，未能及时追上。
沈炼返回后向信王复命，谎称遭遇北斋团伙的伏击。鉴于凌云铠是魏公公的外甥，此案转交南镇抚司裴纶调查。裴纶从凌云铠的无常簿入手，逐渐对沈炼产生了怀疑。两人之间的紧张气氛达到高潮时，陆文昭出面化解了矛盾。裴纶转而采取迂回策略展开调查。经过一系列的调查与追踪，裴纶发现郭真与北斋之间的联系，以及沈炼与北斋之间隐秘的交往。陆文昭得知后，与裴纶产生了冲突。裴纶负伤逃离后，沈炼将其藏匿在自己的住处。
陆文昭为了摆脱嫌疑，向沈炼提议铲除裴纶和北斋以平息事端。沈炼拒绝了这一提议。他决定带着北斋和裴纶通过秘密通道逃离京城。陆文昭向信王汇报情况后，信王利用自己的智慧将一切罪责归咎于沈炼和裴纶。魏忠贤察觉事有蹊跷，决定亲自接管此案，并严令捉拿沈炼、裴纶和北斋三人。
在逃亡过程中，沈炼将《宝船建造纪要》托付给北斋保管。北斋在逃离途中得知了沈炼和裴纶的通缉令后决定返回京城寻求信王的帮助。沈炼心系北斋的安全，带着重要线索去找丁白缨寻求信王的踪迹。此刻的沈炼已经真心喜欢上了北斋。尽管信王察觉到了这一点但并没有给予实质性的帮助。为了救沈炼和裴纶一命，北斋决定向信王求助并尝试揭露陆文昭的阴谋。然而自古君王多薄情信王为了自己的利益陷害了北斋与陆文昭等人甚至试图牺牲他们来谋求自己的上位机会于是魏忠贤决定杀掉陆文昭和北斋同时推荐信王继承大统此时战火一触即发而沈炼则带着北斋和裴纶一路逃亡历经千辛万苦来到一座断桥的悬崖边此时追兵已近沈炼让北斋先行逃离而他自己则留下来抵挡追兵同时与丁白缨等人展开了一场激战然而在这场战斗中沈炼面临着生死未卜的境地尽管他尽力保护北斋但最终仍不得不做出牺牲将吊桥砍断迫使北斋离开这段情节让人揪心不已最后先皇驾崩信王登基魏忠贤失势而沈炼得以重获自由虽然得以活命但北斋却远离了京城到了杭州继续她的作画生涯并始终思念着沈炼