《色戒》改编自张爱玲的同名小说，讲了一个女大学生王佳芝去色诱特务头子执行刺杀任务，到最后反而坠入情网帮特务头子逃跑的故事，李安看完后大受震撼，决定拍成电影。
1938年，日军攻占上海，正在读大一的学生王佳芝跟随同学来到香港避难继续学习，学长邝裕民是一个爱国热血青年，他邀请王佳芝二人加入岭南大学话剧社表演爱国话剧，警醒世人为抗战募捐。王佳芝颇具表演天赋，对邝裕民心生好感，她表演的特别投入，引发全场振臂高呼抵抗日寇侵略。
话剧社几名成员很是兴奋，结束后共同喝酒庆祝演出的成功，邝裕民也对王佳芝产生好感有意接近她，只是都没有说破。因为哥哥战死沙场，他对日军和汉奸恨之入骨，想要采取实际行动除掉一两个汉奸表明自己的决心，不久就得到一个机会，他的同乡老曹现在是汪精卫手下特务头子易默成的一个副官，他提出利用老曹接近易默成进行刺杀实现报国的梦想，尽管有些不切实际，但几个同学见他决心已定，纷纷热血响应，王佳芝见状，也伸手表示参加。
时值假期，一个富家子弟出钱租了一套别墅公寓，他们进去改装成自己的住处，王佳芝和其中一个男同学装扮成香港富人，借助老曹的关系接近易默成，计划施展美人计制造暗杀机会。
他们还租了车子，扮成麦先生和麦太太陪着易太太在香港游玩逛街，几个学生笨拙的演技很难不让人发现他们是假扮的，全程只有王佳芝还算应对自如，所以接下来一般只让王佳芝出场，来到易默成家中跟他老婆打麻将搜集情报，企图掌握易默成行踪。邝裕民他们还没弄来两把枪，但苦练了一个月依旧射不准。
王佳芝此后经常出门来到易家打麻将，由于神经紧绷无法集中注意力一直输钱，直到有一次易先生专门给她喂牌才赢了一次，见易先生对自己上心，王佳芝瞅准时机约他出来做衣服吃饭，因为机会稍纵即逝，必须抓紧行动，但一向谨慎的特务头子怎会轻易上当，何况还是一群乳臭未干的学生。王佳芝见都没有机会，便提出一起看电影再寻找机会，奈何易先生看出端倪，说自己不喜欢黑。于是约会结束，易先生送王佳芝回家，到了门口，面对邀请他并没有进去，门里面持枪等待的邝裕民他们也就没了动手的机会。
两人的关系进一步发展，王佳芝自感要成为易默成的情妇，同学们为了复仇大计早已私下决定让她牺牲身体，回来得到答案的王佳芝选择了服从。但她没有任何性经验，为了不使穿帮前功尽弃，其中一个去过妓院的男同学陪她练习，邝裕民默默转身没有任何话语和行动，王佳芝就这样跟一个不喜欢的人上了床。
经过数次练习，王佳芝忽然接到易太太电话，听闻她们要搬去上海，也就是说他们行动失败了，不仅浪费了大量金钱时间，重要的是王佳芝做出的巨大牺牲忽然变得毫无意义，这让她一时很难接受。
当众人心灰意懒收拾东西准备搬出别墅时，老曹忽然持枪进来，他发现了他们的真实身份，威胁他们重金贿赂自己，否则后果自负。众人遭到胁迫，几个男生先下手为强联手制服了老曹，邝裕民持刀猛烈捅到他的身上，以此发泄自己的愤怒，最后将其杀死在楼梯上，惊魂未定，王佳芝吓得赶忙跑出屋子。
三年后，王佳芝来到上海复学，汪伪政权控制这里，邝裕民已经加入重庆特务组织，他在街头找到王佳芝请她再次出演麦太太，好协助他们刺杀易默成。王佳芝同意了，她见到邝裕民的上级老吴，了解了自己的任务并收下一粒毒药，一旦身份暴露可服毒自尽。邝裕民对其心怀愧疚，王佳芝说了句三年前为什么不是你，然后匆匆离开。
王佳芝联系上易太太，借故住在她家，一天，易默成的司机将准备去看电影的王佳芝拉到一个闲置很久的房间，易默成在那里等待并跟她发生了关系。
几天后，听闻易默成到南京出差，王佳芝准备收拾东西离开他家，易默成突然进来，面对王佳芝的说辞，他说自己已经很久没有相信别人了。几次发生关系过后，王佳芝入戏颇深深陷矛盾，她来到电影院与邝裕民接头希望他们尽快行动，她怕自己支撑不住。而邝裕民告诉她，最近组织的几个联络点都被易默成端了，他们不能再做无谓的牺牲，需要按兵不动，老吴也命令王佳芝继续潜伏伪装下去。
王佳芝只有真的动情才能蒙骗过关，她把自己当成了真的麦太太，易默成真的情妇，易默成也因此逐渐放松了对她的戒备，还送给她一枚很大的鸽子蛋钻石戒指，让王佳芝深受触动。
刺杀行动即将开始，王佳芝联络邝裕民他们准备，自己带领易默成到珠宝店取做好的戒指，易默成并没有起疑，看到对方戴上戒指，说对钻石不感兴趣，只是想看它戴在你的手上。王佳芝听完嘴角抽动了一下没有说什么，想要取下戒指被易默成阻止，王佳芝眼眶湿润再也承受不了内心的煎熬，小声告诉易默成快走，易默成立马反应过来，一溜烟跳上车子逃之夭夭了。
后来，易默成派人抓住了王佳芝等六人，命令全部进行枪杀。