1937年2月，纳粹德国在希特勒的批准下，启动“铀计划”，即大规模杀伤性武器，原子弹的研制工作。整个计划在实验初期，进展非常顺利，但最终，由于制造反应堆的石墨纯度难以达标而受阻。几年后，美国利用从德国出逃的科学家，正式启动“曼哈顿计划”，迅速掌握了石墨的提纯技术，使原子弹的研究工作，获得巨大进展。中国西南地区，蕴藏着丰富的石墨资源，昆明"史迪威训练基地"，成为美军研制及生产高纯度石墨的重要地点。

欧阳剑平、高寒和李智博赶往昆明。马云飞虽然嘴上没有答应老于，但还是担心高寒等人的安危。最终，马云飞和何坚做火车也赶往昆明帮助五特其他几人。火车上，遇到美军滋事，马云飞英雄救美，结识了化装成女学生的女日特酒井，而酒井之所以要去昆明，就是作为最高领导，指挥昆明日特处理吉川情报的事件。马云飞、何坚到达昆明后，和酒井分手，酒井立刻赶到日特昆明据点布置。

双方一通激战，双方互有损伤，最危急时刻，马云飞与何坚赶到，击败了酒井等人，但同时，吉川也趁乱逃走。见到马云飞到来，高寒自然高兴，但不免对马云飞一阵奚落，马云飞一笑而过，大伙儿商量下一步的对策。同一时间，吉川猛夫从临安堂逃走后，无处可去，只得找到自己在昆明的奶妈，临时住在奶妈家里。吉川的伤势很重，没有药品根本无法医治。

五特等人通过调查和分析，得出结论，整个资料被盗事件，很可能是在基地内部出了内奸，否则，日特不可能渗透进基地并取得资料。如果是这样，吉川在昆明的药店没有搞到消炎药品盘尼西林，很可能将通过基地的同伙，搞到这种药品。因为盘尼西林是管制药品，美军基地中相对容易搞到。于是，马云飞等人立刻赶到了史迪威基地。基地负责人听完五特的分析，表示同意，于是授权魏明磊协助五特查找基地内部的内奸。

五特这边，准备先不点破魏明磊。既然知道了魏明磊是内奸，那么只要顺藤摸瓜，一定就可以找到吉川的下落。于是五特不露声色，开始悄悄跟踪魏明磊的行踪，果然，几天后，众人确认了吉川的大致藏身地点。然而，就在五特即将行动之时，一场灾难降临了。原来，狡猾的吉川与魏明磊早就感觉到了来自五特的威胁，如果不解决五特，他们将很危险。

魏明磊将五特抓捕后，立刻按照吉川的建议，用高寒的电台，给德国人发了一封电报，告诉德国人，自己手里有重要的原子弹资料，希望和德国人交易。马云飞与何坚一筹莫展，这是老于赶到昆明。三人商议，由于各种证据都不利于自己，所以必须要先找到魏明磊的通敌证据，才能彻底洗刷自己，营救出高寒等人。三人猜到了魏明磊和吉川会利用高寒的电报机给德国人发报，于是决定，从这一点入手，寻找魏明磊通敌的证据。

马云飞自然不会还回电台。第二天一早，就是预定的高寒三人的行刑时间，时间紧迫。于是当晚，马云飞与何坚化妆前去劫狱，但狡猾的魏明磊准备充分，马云飞两人没有成功，而且，何坚也被捕了。何坚进去之后，给博士传递了一句话，结婚。原来，这是马云飞事先设计好的连环计，如果劫狱成功，万事皆好，但如果劫狱不成功，何坚就要假装被捕，传递这句话给博士，因为按照美国法律，死刑犯允许结婚。

魏明磊果然如约赶到，马云飞与魏明磊挑破了整件事情的全部情况，包括魏明磊的真实身份，魏明磊与吉川如何设计陷害五特等。而同时，躲在一旁的美军基地负责人则听到了两人的全部对话，真相大白了，五特彻底洗脱了嫌疑。魏明磊困兽犹斗，最终被马云飞抓获。而就在这时，日特酒井也顺藤摸瓜，带领大批日本特务赶到此处，试图劫走魏明磊，马云飞等人寡不敌众。

马云飞等人很快查到了吉川的这个临时藏匿地点，立刻赶赴这座边境小镇。经过一番周折，马云飞等人成功找到了小百合，并顺着小百合的线索，最终找到了吉川。经过一番激战，众人抓住了吉川。然而，就在众人要将吉川押回的时候，酒井带领大批日特赶到，原来，酒井顺藤摸瓜，也找到了这里。众人激战，马云飞掩护吉川和小百合边打边撤。为了保护吉川和小百合，马云飞受伤，但小百合最终还是被酒井打死。

马云飞正在酒吧放浪形骸，正巧高寒亲自下厨打电话让他回去，马云飞何坚只好离开酒吧。回家路上，两人被哨卡拦截。询问才得知，重庆周边县城--万县，正成为日军细菌武器的投放区，万县成为瘟疫疫区，万县百姓沦落成为疫区灾民。为了防止疫情蔓延，国军只好沿途设哨卡，阻碍灾民进入重庆。两人目睹了灾民的惨状，感触颇深。回到住所，高寒在马云飞身上发现一根长发。

五特与交通员见面，得知桥本喜欢去一家炙酒屋消遣，五特计划在炙酒屋动手抓捕他。对圈街时发生的神秘人枪战，中村推测极有可能是五号特工组已经潜入夏家梁，想对基地以及桥本下手，命令渡边对桥本严加看护。桥本给二丫注射病毒后，打算去炙酒屋消遣，中村却以桥本的安全收到威胁为由将桥本软禁起来，不许他踏出基地半步，桥本大怒却也无可奈何。桥本趁看守不备逃出基地，来到炙酒屋。

回到基地，中村狠狠的教训了桥本一顿，为此两人大吵一架。中村制止了渡边对高寒的严刑逼供。但是中村威胁要给高寒注射病毒，把她也变成马路大。何坚内心自责，冲动的要去营救高寒，被马云飞拦下来，最后还是李智博想到利用滤水车潜入基地。马云飞何坚劫持了给基地送水的滤水车，冒充工作人员顺利进入基地。在基地内部，马云飞打探到关押高寒的囚室位置，两人顺利救出高寒。

情急之下高寒打昏马云飞，主动暴露自己吸引日军的注意，趁机何坚带马云飞逃出基地。高寒再次被抓，中村逼问五特的下落，使用电刑依然不能让高寒开口，最后中村竟打算让渡边侮辱高寒。就在这时桥本闯入刑讯室，强要高寒做他的马路大，如果不从桥本就用自己的身体做病毒实验。鉴于桥本的疯狂举动，中村被迫同意将高寒交给桥本处理。桥本给高寒注射了病毒，眼看高寒的各项指标都很符合他的要求，认为他研制的病毒即将成功。

中村恼怒，却发现暴雨冲刷下的高寒竟然复活了。中村急忙将高寒送回基地抢救。得知高寒复活，桥本十分的兴奋，让手下对高寒严加保护，甚至自己病重的身体，桥本也绝舍不得使用一点高寒的血清来救治。桥本加紧了对高寒的实验。五特消沉，老于说服了五特继续完成任务，提出假扮马路大混入基地的计划。祭奠高寒之后，马云飞何坚老于三人扮成流浪乞丐，被汉奸招入基地。

中村发现军火库被盗，意识到五特潜入了基地，急忙带领大批日军搜查，三人安放的炸弹很快就会暴露。更糟糕的是五特无法救出高寒，而炸弹的位置离高寒的房间很近，爆炸一定会伤到高寒。完成任务还是解救高寒成了两难的抉择，最后马云飞毅然选择了完成任务，按下了引爆的按钮。剧烈的爆炸把高寒和二丫埋在废墟之中。桥本不顾中村渡边的劝阻，拼命的想把高寒从废墟中挖出来。

由于汽油耗尽，众人只好弃车徒步赶往目的地--猫儿渡。桥本趁机在沿途留下标记，为身后的日军指路。由于途中多次被日军追上，引起了五特的怀疑，最后发现竟然是桥本在捣鬼。五特决定将计就计，一方面高寒李智博押着桥本离开，另一方面马云飞何坚制造假标记，把敌人引到伏击圈，狠狠的教训了敌人。桥本趁机逃走，被渡边营救，但渡边竟然要击毙桥本，在最后时刻五特打死渡边，救了桥本。

众人发现桥本逃走，急忙追赶，终于抓到了桥本，救回了高寒，可是高寒的病情却突然加重，桥本意识到高寒可能濒死，撑不到重庆，提议带高寒回基地治病。五特经过一番思考，决定冒险同意桥本的意见，回基地救高寒。五特设计偷盗救护车，快速赶到基地。五特威逼桥本合作，众人混入夏家梁基地，顺利的进入实验室寻找治疗血清。五特顺利找到药物，将高寒救活。

警察局内，五特亮明身份，局长立刻放他们走。何坚半路下车，说是有事要办。回到五号别墅，高寒独自上楼回屋，从书架上拿出另一个发卡，和齐南征给的发卡正好对上。李智博从验尸官那得到的证据推断，死亡男子是酒井的特务组织所杀。马云飞感觉到高寒有事情瞒着他们。何坚在和黑衣人枪战时，捡到一块钨金，拿到黑市询价，被中统特务抓住。

酒井假扮欧阳，想从齐南征那得到钨金下落。齐南征识破酒井，拒绝合作。李智博分析出酒井在重庆可能的藏身地点，老于派手下以查户口为名，查到酒井住处。五特和日特发生激烈枪战，但还是晚了一步，酒井已经把齐南征带走。齐南征留下密码，告知高寒钨金线索，但被酒井发现。酒井将计就计，把密码中荣昌修改成武昌。高寒发现密码，众人正要去武昌之际，高寒发现密码被改过，真正的地点应该是荣昌。

五特找到北郊农村的一间农舍，和日特一番激战，终于救出凯恩。五特从凯恩那得之钨金地图藏在海州会馆的一本佛经中。高寒救齐南征心切，一个人独自前往海州。五特发现后，也立刻赶往海州。酒井已经带着齐南征来到海州会馆，拜见目前住在会馆的日本黑龙会藤原半藏。酒井请求藤原协助一起寻找钨金。藤原表示没有兴趣。马云飞、何坚夜探海州会馆，与藤原手下忍者秋山，狂四郎和牙神交手。

何坚想趁机偷出佛经，却一直被秋山监视，没有机会下手。藤原给李智博看自己的收藏，提到自己只有半只虎符的遗憾。李智博说知道另一半虎符在自己认识的一个沙少爷手里。藤原惊喜，希望能得到虎符。李智博答应引荐。李智博告诉五特，可以利用另一半虎符和藤原换佛经，但是虎符在蒋夫人宋美龄手里。五特给老于打电话，希望戴笠能说服委员长，从夫人手里借到虎符。

幸好周姨来请蒋夫人洗浴，才给何坚解了围。何坚给了高寒一颗睡觉的药丸，让高寒务必给蒋夫人服下，这样可以有足够的时间打开保险柜。高寒给蒋夫人按摩，趁机把药丸加入夫人的酒杯中。然后劝夫人喝点红酒，有助于缓解疲劳。蒋夫人刚要喝，想起现在吃中药，不能喝红酒。高寒非常失望，只好再想别的办法拖延时间。蒋夫人沐浴完毕，要起身回卧室，高寒以给夫人进行足底按摩为由，又成功地拖延了一段时间。

酒井告诉藤原，厕所浓烟肯定是扮成古董商的二人所为，他们真正的身份是特工，为钨金而来。酒井从藤原那得知五特来是为了贝叶佛经。酒井怀疑佛经与钨金有关，仔细检查贝叶佛经，却什么也没发现。半夜，马云飞去会馆救齐南征。但酒井早就料到五特会来，安排好日特假扮齐南征。马云飞被抓。酒井在给马云飞的酒里下春药，想通过色诱从马云飞那得到军统的情报。马云飞在馒头中发现字条，告诉他酒里有毒。

马云飞和李智博来到藤原会所，把虎符交给藤原。藤原拿到虎符后，谎称正在用佛经祭祖，过几日再给。马云飞用计抢回虎符和佛经，和李智博一起逃走。藤原要追，被酒井拦住。酒井希望藤原配合，利用五特找到钨金。酒井答应找到钨金，抓住五特后，会把虎符和佛经都还给藤原。五特正在为拿到佛经高兴，李智博却发现佛经是假的。

藤原救火时，突然想起虎符，立刻赶回房间，发现虎符被盗。齐南征找到地图，发现藏钨金的密室入口。众人来到会馆，找到入口，正要进入，突然秋山和狂四郎出现，和五特打了起来。就在五特明显敌不过忍者时，狂四郎和秋山突然中弹身亡。开枪的是藤原家的杂役。原来这个人就是齐南征的老管家老吴，为了保护钨金，毁了容，在会馆做了杂役。

五号特工组乘飞机返回重庆。飞机刚刚抵达机场，随着一声枪响，机场一片混乱，原来，飞虎队队长陈纳德的专机抵达重庆，参加一个演讲。但刚一下飞机，便遇到暗杀，陈纳德的副官当场死亡，杀手芥川逃走。为保护陈纳德的安全，飞机再次起飞，离开重庆，临时取消了这次活动。戴笠和老于亲自找到五号特工组，希望他们帮忙，调查此次刺杀陈纳德事件。

很快，五特几人抓捕了王树森，却没想到，这个王树森，是余程万五十七师的老部下。为给五十七师翻案，来到机场，想通过陈纳德到重庆，记者云集的机会，为五十七师翻案。王树森排除嫌疑，调查陈纳德被刺案走了一个弯路。五特退回原点，继续排查，通过分析陈纳德抵达时记者拍摄的纪录片，几人确定了杀手第二狙击地点，机场附近的水塔，原来，日特有两处狙击地点，是双保险。

一番激战后，众日特全部被歼，酒井与助手芥川由秘道逃脱。马云飞等人在尸体中，也找到了众人一直在找的那个杀手左撇子。众人认为案件圆满完成，老于也因此受了嘉奖。然而，大伙儿不知道的是，这是酒井的阴谋，因为机场刺杀失败，酒井知道军统必定倾尽全力调查凶手，如果不抛出一些人做替罪羊，暂时解除危险，陈纳德不会再到重庆来，也就无法完成他们刺杀陈纳德的任务。

此时，酒井已经化装成机场清洁人员，将武器藏在机场。同时，芥川假扮成记者，也进入机场，成功拿到武器，就等陈纳德的飞机降落了。而由于江油机场大雾，陈纳德的飞机只能在重庆降落。几分钟后，记者接到指令，陈纳德的飞机降落，众人去迎接。陈纳德下了飞机，芥川冲上前去，向陈纳德开枪，没想到，陈纳德倒地后，拔出手枪，击中了芥川，众警卫将芥川击毙。

汽车爆炸这件事情，让陈纳德感觉到危险，终于同意让五特来保护他的安全，当晚，众人搬家至五特事先准备好的房屋。当晚，一辆神秘的车子出现在住处外监视，马云飞与何坚出去追踪，但追踪失败，没有查出这辆车的来历。第二天一早，美方专门为陈纳德派来的安全顾问抵达，马云飞例行进行检查，与顾问罗特产生冲突。之后，五特与罗特直接摩擦不断。

马云飞和博士继续检查，在阁楼发现了一本崔媛媛常看的书，确认，此前崔媛媛来过此处。马云飞找到罗特商议，罗特与马云飞讲了崔媛媛的事情，因为崔媛媛，马云飞等人与陈纳德再次发生冲突。此后不久，陈纳德要出去钓鱼。马云飞等人事先勘察了地点后，同意了。但就在陈纳德钓鱼的时候，还是出事了。陈纳德钓上来的鱼，竟然是一条死鱼，马云飞反应极快，迅速将鱼扔回池塘，就在这时，鱼爆炸了，有惊无险。

马云飞设计，将罗特骗出住处，李智博等人开始了对罗特房间的检查，在罗特的房间内，发现了一种治疗心脏病的药物空瓶，博士记得在罗特刚刚进入住处时，这两只瓶子还是满的，也就是说，罗特在几天内，吃完了三个月的药物，这显然不合逻辑。很快，众人又在罗特的子弹盒里发现了一颗奇怪的子弹，拔出弹头后，发现里面没有火药，弹壳里面的药品，与那些药品，经过巧妙的合成，可以和成为炸药。