1950年初夏，美丽的西南边陲小镇——四方台。退伍军医陈元地在回乡的山路上遭“白猿”残匪的袭击，双目暂时失明。而得到敌情密报，正赶往西头村的四方台县武装大队长李红河，及时解救了陈元地，并决定护送他回西头村。深夜里，和陈元地分别了五年的新婚妻子梅敏迎接了他们。当晚陈元地梦到了去世的父亲问他要祖传的药方——搜神方，李红河也发现有飘忽的人影停留在陈家。

李红河找不到西头村怪事的线索，于是假装离开西头村，进行暗访。梅敏陪陈元地去祭拜陈父，坟前，陈元地写出了“搜神方”，梅敏想动手去摸，就在这时， “搜神方”自行燃烧了。陈元地注意到父亲坟墓旁多了一座新坟，梅敏告诉陈元地，那是他死于国民党溃兵之手的妹妹陈家妹的坟。李红河在山上发现了一个山洞，在山洞他抓到了那个总往陈家跑的女怪人，李红河决定带她回陈家去问个究竟。

陈元地身边怪事不断出现了，他发现身边的人有问题，包括妻子梅敏也是假扮的。陈元地用凶险的方法治好自己的眼睛后，发现周围的乡亲他竟然一个都不认识，而陈家妹的坟竟然是梅敏的，此时假梅敏不告而别。李红河和女怪人被人推下山谷，大难不死的他发现女怪人就是陈家妹，陈家妹告诉他，村里的乡亲们都被土匪胁持了，村民们都是土匪假扮的。

李红河带着陈家妹赶回村里，机智的吓退了众土匪。恢复神志的陈家妹将村里发生的事情告诉了他们两人，原来白猿匪帮就是想得到陈家祖传的“搜神方”，药方的背后还有其他的秘密。李红河提醒陈元地，要立即离开这里，赶往四方台。李红河带着陈元地，向县委张书记和新来的代理县长赵成汇报情况，结合截获的情报，他们确认潜伏敌特勾结白猿匪帮启动了代号叫“天狼”的破坏行动。

路过蓝家药铺时，陈家兄妹见到了风流俊俏的女掌柜蓝双双，她对李红河出奇的热情，让陈家妹很反感。陈元地要去资料馆查找搜神方的秘密，丁喜、张宝春这两个白猿的眼线紧随其后，却找不到机会下手。在资料馆，陈元地遇到了神秘兮兮的县政府文书吕霞，好像她也在找什么资料。路上，假梅敏跟踪了陈元地，陈元地与李红河一番商议，决定第二天要诱捕假梅敏。

蓝双双竟是潜伏的敌特，她向神秘人汇报，白猿的眼线贸然行动，自己要和白猿讨个说法。就在陈元地再次去往资料馆的路上，他收到了一张写有“秘密就在幽灵谷”的纸条。通过对以往资料的查阅，他发现白猿曾经和日本人在幽灵谷打过一仗，日军有大批战略物资不知所踪。孔雀曾经听土匪说起过，搜神方是打开一个宝库的其中一把钥匙，这个宝库和穆家老爷有关系。

调查粮仓没有一点线索，这时城里却出现了白猿杀人前的标志——血骷髅，目标就是裁缝丁喜。原来白猿发现丁、张二人做了叛徒，委托蓝双双清理门户。陈家妹偶然间发现，蓝双双鬼鬼祟祟地出现在县政府的后院，于是就悄悄跟了过去，可是蓝双双却在后院消失了，出现的竟是吕霞。经分析，陈元地认为，这个丁喜跟白猿一定有某种关系，他们决定提审丁喜。可是他们进屋看到的，竟然是丁喜夫妇的尸体。

在丁喜夫妇被杀的房间，李红河发现了一条暗道，直通县政府后院的水井，陈家妹坚称凶手就是蓝双双。张书记和陈元地分析出县政府的暗道（穆府地宫）肯定有问题，大家决定勘察穆府地宫。一番努力之后，他们在地宫中找到了穆老爷一家人的尸骨，地宫是条重要线索，要继续勘察下去。陈家妹为调查线索来到蓝家药铺，意外见到了一个她熟悉的人，却随即被蓝双双一棒打晕。

陈元地收到绑架信，陈李二人按照绑架信上的联络方式分头埋伏，却没有任何结果，陈元地敏锐地感到蓝双双有问题。就在这时，蓝双双被人暗杀了。在她的手中，紧紧地攥着与梅敏极为相似的一条项链。为了继续寻找家妹，大家又来到蓝家药铺仔细搜查，终于找到了家妹和未死的梅敏。

根据胡主任送来的日军尸体化验报告和密件，张书记证实了他对陈元地的考察，并发展陈元地为将“神箭行动”的成员。他告诉陈元地，潜伏特务伙同白猿设计了 “天狼行动”，想找到穆家老库，利用宝库内日本人遗留下的致命杀伤性化学武器，在国庆一周年的关键时刻搞大破坏。土匪找到了孔雀，她竟然和白猿有关系，土匪准备火烧粮仓，并让孔雀把陈元地引到粮仓。

火烧粮仓之后，陈元地怀疑孔雀很可能就是内奸。陈元地邀孔雀来到小树林，向她逼问事实，孔雀干脆将实情挑明，一切正如陈元地所料，孔雀正是白猿的人，而且她还是白猿的女儿。陈元地劝孔雀改邪归正，跟他去自首。就在孔雀决定要跟陈元地走的时候，土匪出现并打昏了陈元地。赵成赶来救走了陈元地，却怀疑他是内奸，将他关了禁闭。

吕霞深夜出现在陈元地的牢房里，要他交出搜神方。陈家妹来狱中看望哥哥，陈元地要家妹设法拿到梅敏的项链，去查一查这一对一模一样的项链之间究竟埋着什么线索。陈家妹从梅敏的项链入手，查出梅敏心中还有一个男人。那条出现在蓝双双凶杀现场的项链，正是梅敏送给他的，而这个人很有可能是个大特务。

夜里，陈元地悄悄随李红河一起去调查粮仓，他们发现通向宝库的另一把钥匙就是穆家风水眼。本来毫无头绪的第二把钥匙，现在终于有了线索。正在李红河决定勘探穆府地宫的时候，特务已经抢先来到了风水眼所在的位置，但是却没有什么发现。看着陈元地一步步接近了风水眼的位置，特务担心共产党发现秘密，于是制造种种恐慌阻止他们进一步勘察地宫。

被撞伤的喜子送到医院，到了夜里，突然发病，症状和梅敏一样，惊动了整个医院。与此同时，县政府因外界压力太大，赵成不得不下令停止小分队下地宫搜索。 医院病人不断发病，城里的恐慌情绪仍在蔓延，狱中的陈元地苦于无法出去治病，只好以身试针，亲自教陈家妹针灸，让她去医治帮助医治怪病。 虽然针灸暂时控制了病情，但却无法根治病因。

通过陈元地的分析，另外半块风水眼应该是在穆家老二穆雷的房间里，而穆雷的房间就是吕霞住的房间。他二人分工合作，李红河在县政府搜索穆家风水眼的下落，而陈元地继续在医院忙于治疗发病的人，并追查其发病原因。 就在陈元地的调查一筹莫展时，解开病情最关键的那几页内容，赫然出现在陈元地的房间里，原来是孔雀帮了他。随着病因被查出，陈元地意识到，他们的对手十分强大。

陈家妹接受任务，秘密前往地委。在她和李红河之间悄悄正萌芽的爱情，支撑着她，给了她巨大的力量。一路上她克服了重重阻截，日夜兼程，赶往地委。 而县政府这边，陈元地经过研究穆家的家谱，有了重大线索。他发现穆家老二穆明五岁就夭折了，而穆家曾给他修过一处阴宅，他认为只要找到穆家阴宅现在的位置，另半块风水眼就该出现在那里。

李红河认定是陈元地害了骆驼，要捉拿他归案。陈元地感到在四方台已无处容身，决定请前来打探消息的孔雀，带他上山寨投靠白猿。李红河向假赵成汇报情况，懊悔自己看错人，假赵成下令全城通缉陈元地。 与此同时，前往地委调查吕霞的陈家妹，无意中发现了惊天大阴谋，原来四方台现任县长赵成，竟是特务冒名顶替的，而真正的赵成县长已经牺牲在赴任的途中。胡主任当即决定集结部队，与陈家妹一同赶往四方台。

为了任务，陈元地假意答应娶孔雀，白猿承诺洞房之后就和他一起下山。听到消息，孔雀欣喜。面对一往情深的孔雀，陈元地的内心充满歉疚。 但李春不甘心孔雀下嫁陈元地，从中作梗，盗取凤凰簪给陈元地，破坏了即将举行的婚礼。孔雀得知陈元地投靠山寨是另有目的，娶自己是为了凤凰簪，为了去救他的妻子梅敏，迫不得已才答应和自己成婚。孔雀心中淌着血，但最终仍决定成全爱人，放他带着凤凰簪下山。

李红河率领小分队队员，在密道中搜索敌人的踪迹，假赵成见事情败露，共产党又紧追不舍，他甩了白猿，在密道中独自逃脱。 李红河带领大部队，在四方台的小巷里与白猿匪帮展开了殊死搏斗，激烈的巷战中，陈家妹为保护李红河而中弹负伤。 小巷的另一角落，陈元地智擒白猿，但白猿却意外中枪身亡，凶手无迹可寻。令人意想不到的是，白猿其实另有其人，假五婶只不过是个替身，而杀死她的，正是孔雀的父亲，真白猿。

在密室中，穆杰将凤凰簪嵌入穆家风水眼中，穆杰根据陈家的搜神方，启动风水眼的机关，墙上赫然现出了“圣心堂”三个字，看来穆家老库就在城郊的教堂――圣心堂。陈元地攻其不备，但不敌穆杰受伤倒地。 暗道中孔雀无意间启动机关，落入了另一间密室，与众人走散。在千钧一发的时刻，孔雀闯入了风水眼的密室，看到了墙上“圣心堂”。穆杰举枪指向陈元地，孔雀情急之下扑向陈元地。

穆杰在圣心堂黑暗的密室中，苦苦研究了很久，最后却是一无所获，怅然离去。 濒临死亡的陈元地被李红河及时解救，醒来之后带领众人赶往圣心堂，路上他得知差点要了自己命的伤是中毒，而自己明明只是中了枪，给他下毒的人是谁，一直萦绕在他脑海中。 当他们赶到圣心堂的时候，竟在教堂的密室中遇到了老光棍，老光棍陈诉说，原来老光棍一家人，当年都是穆家的仆人，所以如今他还常回这里来看看。

在鸡鸣山上，李红河的部队受到白猿的袭击，一时间无路可退，全部退到山洞里了。 李红河使一招“诈”字诀，将白猿暂时唬住，因此得知穆家老库中的化学武器，一旦施放，威力极大，令白猿这样的大魔头也闻之色变。白猿的断臂，就是拜它所赐，当白猿回忆起当年幽灵谷发生的惨剧时，李红河仍旧可以感受到他内心的恐惧。 白猿老奸巨猾，处处谨慎提防，李红河与白猿斗智斗勇，虽然稍占上风，但是一时间在洞外，双方仍是僵持不下。

穆杰悄悄来县医院看望梅敏，他告诉梅敏，是陈元地下毒把她害成现在这个样子，而自己一直在想方设法营救她。 经过连日来的搜索，小分队终于在半山腰找到了重伤昏迷的李红河。苏醒后的李红河与胡主任、陈元地共同分析出，穆家老库中杀伤性极强的化学武器，就是由一种致命的神经毒气制成的毒气弹。敌人的天狼行动，目标就是要找到老库中的毒气弹，利用它们在国庆一周年的关键时刻搞大破坏。

夜晚，梅敏还在苦苦思索“丑星纪”三个字的含义，口中喃喃自语反复念叨着“……丑……星……纪……”渐渐睡着了。入夜，梅敏被噩梦缠身，西头村遇难的那一幕呈现在她眼前，就在西头村祠堂的大石碑下她身中数刀，梦中她记起石碑上见过“丑、星、纪”三个字！因此“丑、星、纪”的秘密，和西头村祠堂的石碑应该有着莫大的关系。 第二天，按照早已和穆杰约好的联络方式，梅敏在陈元地的陪伴下，来到了大庙。

经过进一步的分析，陈元地认为，穆杰肯定是逃到山上了。于是他们集合部队，准备上山抓捕穆杰。这时，梅敏提出要戴罪立功，一同前往山寨劝阻穆杰的要求。李红河同意了。经过严密的部署，大部队在山寨下做好部署，准备一举歼灭残匪。 然而留在山寨的孔雀，其实并没有打开细菌弹箱子的钥匙，因为她不是白猿的亲生女儿。孔雀发现穆杰脖子上，梅敏送给他的项链是白猿的，穆杰恍然大悟，白猿的亲生女儿竟然会是梅敏。

奸诈的穆杰成功逃脱了追捕。陈元地分析出穆杰施放毒气弹的目标，应该是一周年庆典中最大的活动――省第一次人民代表大会，所以他和李红河整装前往省城，并提前通知省城方面作出严密部署。 陈元地等一行人赶到省城，在旅店里，他们又一次与穆杰失之交臂，让他逃脱了。当梅敏得知穆杰依然没有放弃任务，还想用毒气弹害人的时候，她终于做出了她一生中最重要的决定——离开穆杰，偷走毒气弹去找陈元地。