在少林寺传奇3的演员阵容颇为豪华，除了第一部的李渊、谢苗、孙卉凝、潘元甲等老班底，还加入了嵩山少林寺武僧--徐鹏军（法名：释延君）和武打童星曹骏，全国武术冠军许明虎，以及大哥大--洪金宝的加盟！另外，鲍国安将再次与都晓导演合作，出演《少林寺传奇3》。曾在《少林寺传奇1》中，鲍国安饰演剧中的少林寺方丈，深受观众的喜爱，这次鲍国安老师再次扮演少林寺方丈。计春华则将从以往的反面变身正派！
抗战胜利前夕，潜伏在军统的中共地下党员欧孝安（黄景瑜 饰）从日军生化毒气研究所监狱中成功越狱，途中受重伤昏迷，被中国远征军发现并救走。苏醒后的欧孝安发现自己丧失了在监狱近四年的记忆。欧孝安以四年前记忆的终点为起点，捡拾零星记忆，秘密调查并意图揭露日本间谍黎少堂（马思超 饰）的罪恶嘴脸。期间，他与中共地下党员覃墨卿（辛芷蕾 饰）从相互质疑、试探，到联手合作，找到了日军生化毒气研究所，抓获了日军情报司令长官大桥和野。抗战胜利后，国民党准备全盘接收日军生化毒气研究所遗留的“人、财、物”，为日后与中共作战做准备。欧孝安获悉了这个情报并粉碎了这个恶毒计划，同时揭露了黎少堂日本间谍的真面目，在中共地下党内代号为“孤星”的欧孝安终于回到了党组织的怀抱。
该剧讲述1935年，北平艺专摄影科学生吴大中对投身地下党的高海薇一见钟情，并为了爱情参军投身抗战，用相机记录着抗战一步步走向胜利。
