影片讲述了没赶上电影场次的张九声与刘闺女因一场电影结下了不解之缘的故事。故事灵感来源于张艺谋导演早期经历，是其一贯对文化展开追忆和寻根的风格。

国民党发动第五次大围剿，红军被迫转移，赵志刚率领突击连为红军主力争取转移时间，与国军进行殊死一战，全连只剩十三个弟兄。 白匪头目白伍德，奉命追击红军，威逼百姓带路。为了救下乡亲父老，红霞答应带路，被村民误会。红霞的弟弟石头一心想当红军，却没曾想中了白伍德的诡计，将赵志刚率领的红军残部带入了白伍德设计

《天衣无缝》改编自张勇的小说《贵婉日记》，本作也是继《一触即发》、《伪装者》后“谍战三部曲”的收官之作。故事背景和《伪装者》相同，时间线稍微提前。