电视剧《X女特工》讲述了国民党办的特务训练班里神秘故事。特训班里的最高领导高义山，利用职权和个人手段，把特训班里的女特工，变成了自己的小蜜，尽情地利用她们为自己卖命。

身手矫健、怀揣正义梦想的率真少女钟离（唐嫣饰）与谭睿玲（吕一饰）、罗逸菲（王笛饰），同被选为特工训练营一员，共同经历了残酷的国际化特工训练，与其他学员在特训战场上斗计斗智斗勇，结下深厚的姐妹情谊，成长为冷静顽强、干练美艳的精英女特工。

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。但是，特训班里明确规定，学员之间或者学员和教员之间都不能谈恋爱。违反者，必死！

惊心动魄的打斗、令人窒息的背叛、命运般的爱情故事以及时尚炫丽的美感画面，让观众目不暇接。

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。

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。

    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。

在执行任务中，上司特工贺俊峰多次暗中保护钟离。他们成了欢喜冤家，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。

然而，惊心动魄的打斗，令人窒息的背叛，命运般的爱情故事，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。

在钟离的影响下，精英特工贺俊峰也慢慢看清了高义山的嘴脸，并得知高就是杀害自己父母的凶手。可是，贺俊峰也是杀害钟离父兄的特工，当时钟离难以置信，最终还是爱情把他们联系在了一起。