電視劇《X女特工》講述了國民黨辦的特務訓練班裡神秘故事。特訓班裡的最高領導高義山，利用職權和個人手段，把特訓班裡的女特工，變成了自己的小蜜，盡情地利用她們為自己賣命。

身手矯健、懷揣正義夢想的率真少女鍾離（唐嫣飾）與譚睿玲（呂一飾）、羅逸菲（王笛飾），同被選為特工訓練營一員，共同經歷了殘酷的國際化特工訓練，與其他學員在特訓戰場上斗計鬥智鬥勇，結下深厚的姐妹情誼，成長為冷靜頑強、幹練美艷的精英女特工。

在一次行動中，鍾離與上司精英特工賀俊峰（羅晉飾）意外相遇，性格迥異的兩人卻宿命般地迸發出愛情的火花。但是，特訓班裡明確規定，學員之間或者學員和教員之間都不能談戀愛。違反者，必死！

驚心動魄的打鬥、令人窒息的背叛、命運般的愛情故事以及時尚炫麗的美感畫面，讓觀眾目不暇接。

隨後，三個女孩又先後進入了高義山（張晞臨 飾）主持的特別行動隊，為北伐戰爭作出重大貢獻。

進入特別行動組後，因為一個外派名額，羅逸菲和鍾離反目成仇；柔弱的譚睿玲則被特訓班最高指揮高義山利用。

    沒想到國民黨卻很快背離自己的初衷，開始清除異己，鍾離對行動隊的正義產生了懷疑。

    上司何芸（洪京京 飾）為保護鍾離犧牲。鍾離大受震撼和教育，在最艱苦的環境下，孤軍戰鬥，保護了一大批進步人士，而且多次挽救羅逸菲和譚睿玲，揭穿高義山的反動面目，幫助她們找到正確的人生方向。

在執行任務中，上司特工賀俊峰多次暗中保護鍾離。他們成了歡喜冤家，平日生活毫無來由的對掐；他們也是生死伴侶，關鍵時刻不問原因的互助，出生入死的完成一次次任務。

然而，驚心動魄的打鬥，令人窒息的背叛，命運般的愛情故事，在此過程中，鍾離蛻化成長為一名堅定的有信念的熱血進步青年。

在鍾離的影響下，精英特工賀俊峰也慢慢看清了高義山的嘴臉，並得知高就是殺害自己父母的兇手。可是，賀俊峰也是殺害鍾離父兄的特工，當時鐘離難以置信，最終還是愛情把他們聯繫在了一起。