纷纷扬扬的雪花撒在周乙（于和伟饰）黑色的背影上，一首宛转悠扬的片尾曲响起：
雪白的花生在那悬崖
勇士的鲜血一遍遍染红了它
随着黑底白字的演职员表一幕幕闪过，轻灵歌声一再地唱入观众的心扉：
难忘记冬夜漫长的北方
有位心上人滚烫了她心房
她在你离开的村庄
静静地守在炉火旁
看见明天的人们团聚的模样
尽管很难直面其中的血腥与暴力，生在和平年代的我还是被《悬崖之上》这部谍战片深深地感动着。斗智斗勇的谋略，舍生忘死的气概，咫尺天涯的柔情，扣人心弦的情节，张艺谋导演不负众望，众咖位演员八仙过海，将饱经风霜的黑土地上爱国志士与伪满哈尔滨特别警察厅特务科的斗争演绎得荡气回肠。
伴随着一阵飞机螺旋桨的轰鸣，四只白色的降落伞载着乌特拉行动队员降落在林海雪原上。
大家集合后，这次行动的负责人张宪臣（张译饰）从打开的盒子里拿出一粒药片，他的妻子王郁（秦海璐饰）拿出第二粒，楚良（朱亚文饰）与准恋人小兰（刘浩存饰）依次拿出剩下的两粒，熟悉谍战情节的观众都知道，一旦被敌人抓到，这是特工人员严守机密的最后防线。
为了双重保证完成计划以及被抓后不供出队友，四人分开行动，张宪臣与小兰是一组，王郁与楚良是二组。临别时分，张宪臣帮助王郁背好硕大的背包，王郁向张宪臣叮嘱：“活着的去找孩子”，道出了她们早已做好牺牲的准备。
由于叛徒谢子荣（雷佳音饰）的出卖，行动队一踏上这片黑土地，就陷入日伪特务科的套路之中，影片的过人之处就在于敌我双方都是高智商在线。老冯（沙溢饰）等伪装成组织派来的人迎接一组，被张宪臣用对话识破。
没有潜伏经验的小兰却有着超群的记忆力，能在短时间内熟记行动暗号，曾被楚良叮嘱“凡事都得留一手”，在遇到老冯收集随身物品统一存放时，就暗地留下一把武器。小兰在给张宪臣传递藏在手套里的武器时，被老冯发现，双方展开殊死搏斗。
后来，张宪臣和小兰在火车上合力处死盘查小兰的特务，并分头冲破围截，在哈尔滨重逢，张宪臣打算出门寻找载着联络密码的书籍，小兰天真地表示要做好吃的等他回来，于是被叮嘱道：“长点心……经常出去看看，防止敌人堵门……死等联络暗号”这一次，她又用行动记住了。
张宪臣这个胆大心细的热血男子，在雪夜里，站在阳台上遥望着不远处曾经的家，怀念妻儿，落雪无声地撒在他的头上、肩上。无眠的小兰也来到阳台，两个人的对话交代了张宪臣两个孩子的收养人被日本人打死，有人看见孩子们在马迭尔宾馆前要饭。
拎着一个手提包出门的张宪臣假扮女人来到书店，这里早有特务盯梢，他机智地留下书皮作掩护，又凭着对地形的熟悉，躲过围追进入车中。
本来可以逃出堵截，就在车子路过马迭尔宾馆门前时，他好像看见了自己的儿子。一个久别父亲的柔情，以及对失家孩子的歉疚，还有已毫无音讯的妻子的叮咛，张宪臣下车抱住孩子打探，竟因此被重新追捕，最后重重地摔倒在特务从另一方向撞过来的车前。
打入敌人内部的周乙亲身经历了张宪臣的宁死不屈，冒险营救他。为了给组织保存有生力量，张宪臣决定舍命换车突围，并在周乙的一再追问下，托付他营救二组、找到孩子。
狡猾的特务科高科长（倪大红饰）让属下假扮自己人接应二组，想用二组引出一组，乌特拉行动队队员四人同一车厢乘火车去哈尔滨。
张宪臣在厕所里用暗语留下标记告诉二组有特务，叛徒谢子荣随后对此作了手脚，王郁进厕所后却发现一切正常的标记。凭着多年的斗争经验和对丈夫的了解，她知道张宪臣不会冒着生命危险留下两句废话，马上判断出这趟车不安全。
楚良在险恶环境下重逢小兰，忍不住回头多看两眼，引起特务的警觉，将小兰带走盘查，楚良正在和同车的‘自己人’商量要救小兰，列车中途到站，王郁果断地告诉楚良下车，乘坐下一趟火车。为了完成乌特拉行动，楚良忍痛割爱，不再恋战。
到达驻地，王郁和楚良分别被全天候监视，没有单独商量问题的机会。王郁自己用药造成食物中毒的假象，在被送医后用计谋支开监视者，才有机会告诉楚良他们周围的人都是特务，并商定在出院时逃离。
周乙冒死找到单线联系人，获得接头暗号后，在医院与二组相认，受到王郁的质疑，周乙告诉她，老张被捕了，马迭尔宾馆前有你们的两个孩子。
龙头里的水哗哗地流淌着，王郁用流水声掩盖住自己的抽泣。身穿病号服的她坐在地上，抱住双肩，紧闭双唇，微乱的头发半遮着紧闭的双眼，任眼泪滚滚滑落，一个革命者，也是一位妻子，一个母亲，家国大义让她重任在肩，亲人落入魔爪让她肝肠寸断。
在周乙的安排下，乌特拉行动交给尚在安全地带的小兰，王郁和楚良边与敌人周旋，边计划从罗马尼亚使馆脱身。
受到特务纠缠后，楚良主动留下，把逃生的机会让给王郁。王郁与敌人惊险飙车，救上受伤的楚良准备逃离，楚良审时度势，下车掩护王郁脱险，并一再催促对方快走。一样的浴血沙场，一样的百转柔肠，冒死掩护战友，战斗到最后一刻，楚良从容赴死。
深入敌穴的周乙是影片暗线中的灵魂人物。作为基层头目，他每天周旋在老谋深算的高科长与素有训练的特务们中间，面对复杂多变的光明与黑暗的交锋。
他要不负组织重托，协助完成乌特拉行动，要保护同志免遭敌人的毒手，要保全自己不被敌人怀疑。这一时期的地下工作者，每天都生活在悬崖之上，稍有不慎，就会跌入深渊，周乙更是如此。
于和伟被张艺谋称作是亦正亦邪的表演者，在电影中他克制着自己的情感，卧薪尝胆，面对战友受到酷刑，乃至被枪决，尽管内心在挣扎，但却不能在表情上太过流露，又不能完全无动于衷。面对生死的较量，却要轻松地不着痕迹。
当张宪臣受到非人的折磨呕吐出来，周乙看在眼里，疼在心上，只有当高科长向前察看时，他才在其背后眨了一下眼睛。
枪决张宪臣那场戏里，高科长想暗中观察谁是内鬼，让手下三位干将和自己站成一排观看。周乙不动声色地来回传递着高科长递过来的酒壶，枪响了，他拿着火机的手就势打火低头点烟，警察的大帽檐遮住了他的表情。
战友楚良自尽，周乙一边按下痛失战友的悲怆，一边在特务面前逢场作戏，表现了一个地下工作者的沉稳老练。
在一度解除被怀疑后，周乙得知楚良的枪被高科长下令作了手脚而没有打响，假意拥抱宿敌，感谢保全生命，也在着意加深对手的信任。
《悬崖之上》可称作不可多得的叫好又叫座的谍战电影，影片将美好人性与崇高信仰相结合，亲情、爱情、友情饱满动人。漫天飞雪和人物的黑衣形成强烈的对比，冰冷的环境下，炙热的情感在凛冽中飞扬。
生死纠缠，有人背叛，有人坚守，卧底与反卧底，紧扣着观众神经。 “乌特拉”在俄语里是黎明的意思，小兰成功营救出王子阳，完成乌特拉行动，周乙和小兰把两个孩子带到在雪野里已站成雕塑的王郁面前，王郁悲喜交集地看了半天，将她们揽在怀中。观众们由衷地感受到，在那肃杀暗夜的悬崖之上，天快亮了。