这部电影主要讲述了在上个世纪30年代，四个在苏联接受过特训的共产党特工小组，回到哈尔滨将完成一个代号名为“乌特拉”的秘密行动。但由于叛徒的出卖，在任务还开始很多细节就已经被敌人掌握。四人特工小组分别是朱亚文饰演的楚良、刘浩存饰演的小兰，秦海璐饰演的王郁和张译饰演的张宪臣，从降落伞降落，四人分为两两一组，原本是情侣的楚良和小兰，夫妻的王郁和张宪臣分开。楚良与王郁组成一组，小兰与张宪臣成为一组，以不同方式和身份到达哈尔滨后集合。
殊不知，在他们降落的一刻便掉进了敌人的陷阱中。小兰与张宪臣率先识别了接头的特务，脱困费劲登上了前往哈尔滨的火车。王郁和楚良则没有那么幸运，直到在火车上才意识到自己已经和敌人在一起了。于是为了不打草惊蛇，小兰与张宪臣并没有与王郁、楚良在火车上相认，而是装作不认识。经过一系列艰难，四人分别到达哈尔滨。王郁和楚良被伪装的特务安排在一栋别墅里，张宪臣在一次任务中被捕，经过严刑拷打，脱困后又与敌人同归于尽。但此时，我党安排在敌人内部的同志周乙暴露自己的身份，帮助王郁与楚良脱困，并且协助小兰完成任务。
经过一系列惊心动魄的算计和斗争，楚良为掩护王郁离开服毒自尽，周乙洗脱了嫌疑，王郁成功离开。并且小兰在周乙的帮助下，完成了“乌特拉”秘密行动，即救出一个从日本秘密实验室逃出的幸存者。最后的最后，周乙帮王郁找到了孩子，送走了小兰，也杀死了一开始叛变的叛徒，而他还将继续潜伏在敌人内部，为新中国的到来而站在悬崖之上。
这部电影的剧情不是完全按照真实的史实来拍摄，有一定虚构的成分。但依旧能够观众感受到革命先辈坚定的意志和执着，为张宪臣的牺牲而难过，也为周乙的忍辱负重产生敬佩，更为诸多革命先辈抛头颅洒热血的革命精神而感动。虽然那段岁月离我们越来越远，但通过观看《悬崖之上》这种类型的电影，依旧能让我们意识到现在的好生活来之不易。加上，张艺谋导演个人的视觉审美非常高，观看这部电影就如看画中人物，值得一看。