据悉，《兰心大剧院》是一部黑白惊悚片，该片设定在1941年的上海，围绕一名女演员展开，她在出演新舞台剧的同时也在为同盟国收集秘密情报，在发现了日本准备偷袭珍珠港的计划后，她拒绝分享这一信息。一周后，太平洋战争爆发，美英对日宣战。

在《兰心大剧院》里，巩俐饰演大明星于堇，赵又廷出演话剧导演谭呐，日本男星小田切让在片中出演古谷三郎。

同时，在《玛戈皇后》和《玫瑰人生》中有过出色表现的法国老派戏骨帕斯卡·格里高利（巩俐演他的养女）、曾出演《权力的游戏》和《柏林危机》的德国演员汤姆·拉斯齐哈以及中国演员黄湘丽、王传君、日本青年演员中岛步，曾与娄烨有过多次合作的演员张颂文也加盟了本片。