富春山居圖計劃要在台北合壁展出，位於阿聯杜拜的英國走私犯罪團伙首領聽聞畫卷的保險金價值10億人民幣，就派人去偷台北的無用師卷。英國手下乘飛機到達台北，利用高科技手段得手，而在現場搶畫的山本手下被英國人幹掉。

山本(佟大為飾)是個日本黑幫頭目，他的得力助手黑衣魔女首領(石天琦飾)率領的眾美女極其心狠手辣。他之所以想要偷這幅畫，跟他爺爺（二戰侵華時期的一名高級軍官）的心願有關，而他父親還收藏有該畫的贋品。山本小時候親眼目睹他母親(林志玲飾)在他父親葬禮的晚上與一男子偷情，憤怒之下他放火燒死了母親和那個男子，自己的臉也因此留下火燒的傷疤（從最終的劇情推理得知）。而後來他遇到了一位長相酷似其母的女子麗莎(林志玲飾)，麗莎成為他心愛的女人與第一手下，並成為一名在中國臥底的女特工。

神秘的文物走私販老佛爺(斯琴高娃飾)向英國人提出想要以高價收買無用師卷遭到了拒絕，理由是英國人想把另外半幅剩山圖也偷到手後再交易。大陸警察得知台北的無用師卷被英國人偷走，就加強了位於浙江博物館的另一半富春山居圖——剩山圖的安保工作。而為了奪回被盜的無用師卷，兩岸三地警察通力合作，啟用了「天機一號」行動計劃，該計劃由神秘人物F擔任幕後總指揮，來自香港的特工肖錦漢(劉德華飾)（劍橋法學博士畢業，表面職業是律師）為主要執行者，浙江公安廳廳長率隊護航。肖錦漢的妻子林雨嫣(張靜初飾)是中國人壽保險集團的女高管，其隱藏的身份也是特工。不過她卻不了解丈夫肖錦漢的特工身份，只知道他是個律師。兩人育有一子「小寶」就讀於幼兒園。

為了奪得剩山圖，英國人和山本帶領手下人馬親自來杭州。在老佛爺（表面身份是很有錢的文物走私販，從最終的劇情得知她就是F）安排的一次晚宴上，她告知山本等人剩山圖要轉移到一個秘密地點，讓山本等人去搶該畫。另一方面，林雨嫣本以為有高科技手段保護剩山圖可以萬無一失，豈料公安廳廳長告訴她，轉移剩山圖是上級的命令必須遵守，並由她負責轉運工作。在水路護送過程中，英國人和山本的人展開爭奪，不過最終卻由老佛爺的手下得手。

老佛爺自己帶著搶到的剩山圖（從最終的劇情得知，該畫只是高仿品，一般專家靠肉眼辨別不出來）到東京與山本交易，想把畫賣給山本。而肖錦漢此時沒有遵守天機行動計劃擅自行動（因為他不知道老佛爺的身份），找了另一名女特工王雪晴（麗莎扮演的）到東京去奪畫。在東京一個高級酒店的交易現場，日本專家雖然沒有看出它是假畫，該畫卻被肖錦漢偷走。肖錦漢偷走後住進一家酒店，卻遭到山本女手下的追殺，肖後來安全逃離。他接著又把奪到的那幅畫秘密保存，帶著另一個低模擬度的贗品與接應的王雪晴會合，在山本行宮肖中計受重傷，所幸被山本留下活口。而他卻以為自己誤殺了王雪晴而非常傷心，其實是中了麗莎的計謀，肖錦漢對王雪晴之死的悲痛為後來麗莎對他動情埋了一個伏筆。

肖錦漢受傷後得到了救治，之後在一個中國水鄉進行了一段療養，而組織對外宣稱肖和王已經遇難並為兩人修建了墓地。在水鄉療養期間他回憶了過去的家庭生活，並通過經常吃鹹蛋克服了對鹹蛋過敏的恐懼感；他認識了一個12歲的女孩和她的父親，女孩對他講她母親已經逝世好幾年了，自己因此經常想念母親，她同時還表示很喜歡他。幾個月後的一個晚上，有人秘密來了這裡，並為肖留下一箱裝備，原來是組織需要他繼續執行天機計劃。

此時，由於山本得到的只是肖帶去的贗品，因此這次他和麗莎等手下再次來杭州，想從肖手中奪得剩山圖。而肖出來後再次遇到了麗莎，他才發現原來王雪晴是麗莎假扮的。同時他與妻子林雨嫣破鏡重圓。肖發現麗莎拿兒子小寶來要挾他交畫，他就把小寶也帶到了那個水鄉與那名女孩一起居住。但兩個孩子卻還是被山本一同綁架。雨嫣救子心切，一面懇求肖拿畫來贖回兒子，一面與山本積極聯繫，輾轉數個接洽地點，她最後也被綁到了山本面前。肖帶著剩山圖（從最後小寶的話語中得知，此時肖已利用高科技設備檢測出它是高仿贗品）開車利用高科技找到了山本等人所藏之地，首先除掉了山本多個手下，救了女孩。而雨嫣由於也是特工的緣故也自救脫身，並外出求助於警察。大批警察趕到後包圍了山本臨時居所，不過由於小寶一直被山本控制著，山本等人以肖和小寶為人質開車逃離此地。途中肖和小寶被釋放，而剩山圖則到了山本手裡。老佛爺出面幫助山本將剩山圖帶離出國送到杜拜，計劃與英國人到手的無用師卷合壁（英國人的目的是想在杜拜賣完整師卷給老佛爺以賺大錢，山本的目的是利用剩山圖將無用師卷搶到手，老佛爺的目的則是利用英國人和日本人在互相爭奪的過程中讓肖的天機計劃得手）。老佛爺手下一名女子與麗莎一同攜著剩山圖乘飛機前往杜拜，此外肖也秘密乘坐在了這班飛機里。

到達杜拜後，肩負著各自任務的肖和麗莎再次在酒店見面。肖誘使英國人將剩山圖順利偷走，後通過信號確認了無用師卷所藏之地。一方面，老佛爺手下的那名女子拿出鑽石表示要買英國人手裡的兩幅圖以轉移英國頭目的注意力。另一方面，肖和麗莎進入兩幅圖所藏的房間偷畫，由於觸動了警報裝置，肖和麗莎拿到兩幅圖不久就遭到英國人手下的攻擊。肖和麗莎並肩作戰與英國人展開槍戰，交戰中麗莎中彈受傷，肖和麗莎因彈盡且寡不敵眾，最後一起跳下高樓，肖在空中打開了降落傘裝置安全落到地面，而在地面等待的雨嫣開車帶兩人逃離英國人的追趕。

儘管三人逃到了沙漠中，英國人後來還是開著兩輛車追來。來不及休養的三人再次駕車逃跑。後來英國人的車被撞翻爆炸，麗莎住進了當地的一家醫院，肖幫忙看護，此時麗莎對肖透露出愛慕之情，而肖對她表示自己已經有了雨嫣和小寶。不過在一個晚上，山本卻來到了麗莎住的病房，他告戒麗莎不要對肖動情，還以麗莎弟弟的性命為要挾要她必須拿到肖手中的兩幅畫，並留下了一枚可以瞬間致人死亡的戒指，要她找個機會殺了肖。之後在海灘上肖陪著麗莎休息，麗莎由於對肖產生了感情內心充滿矛盾，最終沒有對他下毒手，肖熟睡當中麗莎秘密離開。肖醒來後聽到雨嫣打來的電話，原來她正帶著畫開車前往機場，準備先行坐飛機回國。途中卻遇到英國人駕著直升機將她的車吸起，把她帶至一個酒店高樓上。肖在電話中聽到雨嫣出了事，急忙乘船開車追趕直升機，並很快來到英國人面前。肖打跑了幾名英國人並救出了被困在車裡的雨嫣。不過兩人卻被趕來的特警擊斃。事後得知，原來是他們聯合演的一齣戲，目的是讓躲在附近觀看的英國人以為兩人已經死了，以免兩人以後遭到英國人的報復。

就在兩人乘救護車離開途中，兩人卻突然中了麗莎發出的暗針而昏迷，畫再次落到了山本手裡。於是最終夫妻兩人一起到東京奪畫。雨嫣要肖不要離開她半步（即不要單獨行動），不過肖還是設法先行一步去找山本。不久麗莎突然出現在雨嫣面前，麗莎勸雨嫣不要去找山本因為很危險，雨嫣說如果她死了她就把肖託付給麗莎。

之後雨嫣也很快趕到了山本行宮，並讓肖重點對付山本，自己來對付山本的六名女手下。在終極較量過程中，肖先幹掉了山本手下一名使用火繩的女子，後來麗莎趕到並幫助肖除掉了另一個山本女手下，而在危急時刻，麗莎用自己的身體擋住了射向肖的暗器因此而遇難。看到麗莎為蕭而死，山本悲痛萬分，他把麗莎抱在懷裡，將自己戴的面具卸了下來，同時肖對麗莎的死和山本的真面容也感到傷心和吃驚。最終雨嫣幹掉了六名對手，而山本要求與蕭使用西洋劍術進行一對一的終極對決，肖在較量中佔上風但並沒有痛下殺手，並讓山本交出了兩幅畫。而山本最終抱著麗莎的遺體選擇在火中殉情自盡。

肖和雨嫣正好在合壁展覽之際奪回畫卷，台北的展覽得以順利舉行，在展覽現場肖才知道原來F的真實身份是老佛爺，觀眾也才發現剩山圖真跡此前一直沒有離開過浙江博物館，高仿的剩山圖是一位藝術巨匠很自豪的傑作。最後肖想起麗莎在逝世之前曾對他說，想跟他成親然後生個女兒，為了紀念麗莎肖又回到了曾與麗莎一起安靜呆過的杜拜海灘，他在那裡擺放了許多絲綢雨傘，幻想麗莎做了一回中國新娘。