光天化日之下，一名报社记者被射杀在了中共滨江市政府附近的街道上！死者系头部一枪毙命，所用子弹为苏制莫辛纳甘狙击步枪子弹，应是训练有素的专业狙击手所为。中共东北局社会部负责人周远翔指派刑侦高手张汉超、刚从四野侦查部队来到社会部的神枪手杨诚、刑侦技术专家王黎生在第一时间赶到了滨江市，决意找出枪击案的背后元凶。

张汉超终于在最后一分钟，制止了对孟庆祥的枪决。在刑场的生死关头走了一遭的孟庆祥，在专案组强大的心理攻势之下，最终交代了自己在记者枪击案中其实只是一个望风的角色，真正的狙击手其实是保密局滨江本组的组长李秋生！李秋生是保密局有名的狙击手，滨江解放后他转入地下，一直在暗中实施搞乱滨江社会治安的活动。专案组根据孟庆祥交代，扑向李秋生的住址，但那里早已人去楼空。

随着与刘志强电台联系难度的加大，李秋生急于求成，于是花重金买通了市政府司机班的人，寻机下手。但因专案组每天都为祁振江制定了不同的行车路线和上下班时间，使特务们一直没有找到合适的下手机会。一天，在得知祁振江要去中苏友好协会开会之后，李秋生和手下锁定了祁振江汽车必须经过的路口，决定半路设伏，将祁振江乱枪打死。

李秋生果然上当，急忙率行动组成员埋伏于西餐厅附近，并派了与该餐厅熟悉的特务持毒药进入厨房，试图投毒，为了保险起见，又安排特务化装冒充服务员，在宴会开始时拉开祁振江赴宴包间的窗帘，方便提前埋伏在餐厅对面民居里的李秋生用狙击步枪射杀祁振江，欲实施投毒和射杀双管齐下的毒计。正直的西餐厅厨师把特务给他的毒药和美元全部交给了公安部门，专案组将计就计，结果计划拉开窗帘指示狙杀祁振江的特务被抓，投毒的特务也被抓了个正着。

滨江本组的覆灭让毛人凤大怒，刘志强决定亲赴滨江实施暗杀。他首先找到了在南京的祁振江抗战时期故交的妻女，胁迫她们交出在东北时期与祁振江交往的资料和照片，然后挑选了几个得力手下，特别带上了与自己关系暧昧的女特务顾菲菲，一起秘密潜伏回了滨江，重启暗杀祁振江的计划。就在专案组四人在西黄泥村参加中央社会部的培训、准备随解放大军进入北平城接管北平警察局时，突如其来的噩耗让他们惊呆了——祁振江将军在滨江被害身亡，凶手下落不明！

专案组成员们会同滨江市公安部门在滨江市布下了天罗地网，参与作案的特务大部分落网，就在专案组带人直扑主犯刘志强和顾菲菲的住处时，刘志强带顾菲菲翻窗逃离，在被提前买通的货运列车的司炉敲诈了几乎所有金钱和细软之后，刘志强和顾菲菲狼狈逃离了滨江，回到了南京。滨江血案的顺利实施，让刘志强在南京的国防部保密局受到嘉奖，刘志强一时间在保密局风头无两。

为了避开敌人的风头，专案组选择了隐藏身份，暂停活动，等待合适的抓捕时机。刘志强为了引他们现身，设局故意卖破绽，让专案组的人得悉了他要在大三元酒家和顾菲菲一起吃饭，企图用自己做诱饵，一箭三雕，既能够将专案组成员一网打尽，又能抓捕配合行动的南京地下党同志，还能够抓住打入保密局的我地下党情报人员。保密局提前控制了整个酒家，包间里的特务们早已荷枪实弹，特务们隐藏在大堂用餐的客人中间，只等专案组的人员进入酒家，就大开杀戒！

刘志强本来想坐飞机去上海，但他想要从南京带往上海的文物细软太多，此时南京人心惶惶，有关系的人纷纷逃到上海或撤离去台湾，机票价格飙升！刘志强不愿意出大价钱买紧俏的机票运自己的文物细软，于是最终选择了坐汽车去上海，好把自己在南京搜刮的民脂民膏悉数带走。此时毛人凤已经在上海红房子西餐厅订好了位置，期待与刘志强在上海共进晚餐。踌躇满志奔赴上海，车行到半路，一辆侧翻的大货车挡住了去路，急于赶路的刘志强下车去看究竟。

1949年秋天，刚刚解放不久的上海就受到了国民党特务的威胁。一名特务乔装成清洁工，将恐吓信塞进了送往上海市政府的邮包里。几个小时以后，上海市领导收到了一封装有子弹的威胁信。初秋北京的清晨。中央人民政府公安部大楼已经是一片忙碌。一个紧急电话打到周远翔办公室，上海市领导收到敌特恐吓信，并附有实弹。事关重大，周远翔紧急从特别科、侦讯科和情报科抽调来张汉超、杨诚、李文蕾和王黎生，组成临时专案小组，赶往上海。

专案组到春华越剧团调查情况，却十分不顺。年轻漂亮的谢音梦既是团长又是剧团台柱子，心高气傲。她不满彩排被打断，故意不肯配合。三个男组员被这个漂亮团长搞得既尴尬又无奈，幸亏张汉超提醒李文蕾以请教穿衣打扮由，拉近距离，才让谢音梦改变了对专案组的态度。专案组在调查剧团遇害职员的过程中，发现了越来越多的疑点。而此时潜入的祝山猿已经在谋划接近谢音梦……

祝山猿从谢音梦口中打听出市领导要与文化界负责人共进午餐，他利用谢音梦可以不受安检进入餐厅的特权，偷偷将毒药藏在谢音梦的包里，顺利将毒药带进了餐厅。同时在粮油公司上班的蔡正兴也以送粮为由混进饭店，他假装无心碰掉谢音梦的手包，偷偷取出毒药，并在市领导的汤里下了毒。专案组审讯黄宇今获得重要情报，在证据面前，黄宇今最终交代了剧团杀人案的真实目的，是要为保密局新来的一个杀手扫清障碍！

在审查的过程中，一个新来的小厨师因为情绪紧张引起了专案组的注意，调查后发现正是他给市长熬煮的烫。虽然最终查实这个厨师并不是凶手，但是他无意间帮助蔡正兴转移了专案组的注意力，让案件变的更为复杂。氰化钠工业用途广泛，难以追查来源。直到精通化学的王黎生用紫外线从瓶身检测出一小滴增白剂，案情才出现转机。专案组经过多途径取证，最终将调查范围缩小到一家染料厂，并最终查出从染料厂偷走氰化钠的女人叫杜婷婷，在马思南路开了一家杂货铺。

专案组逮捕蔡正兴的过程并不轻松，对方熟悉上海的弄堂小路，双方展开追逐。最终张汉超和杨诚对逃往房顶的蔡正兴展开合围，把他堵在屋顶的角落里。然而不甘被捕的蔡正兴最终决定铤而走险，他冒险跨越屋顶，却意外失足坠楼死亡。被捕的杂货铺老板杜婷婷虽然交代自己是保密局安插在上海的特务，但她和蔡正兴一直单线联系，除此以外对别的潜伏特务的情况一无所知。

杜婷婷胆小怕事，容易露出破绽，李文蕾提出由自己假扮杜婷婷发展的下线，到杂货铺共同应对敌人。此举被专案组其他组员一致反对，李文蕾是雷达方面的专家，没有一线对敌斗争的经验，这样的举动太过危险。面对这唯一的线索和李文蕾很有说服力的装扮，最终组员妥协，李文蕾进入杂货铺。

祝山猿对杂货铺的种种疑虑，让原本已经信任李文蕾的钱固仁再次起了疑心。取钱那天，他身上带着手雷，打定主意一旦被公安盯上就来个鱼死网破。没想到李文蕾真的把钱给他了。钱固仁仍不放心，以治安不好为由坚持送李文蕾回家。李文蕾险些因为街坊不认识自己而露出破绽。幸亏张汉超假扮街道管理员及时救场，这才没有暴露。

专案组发现敌人是通过洗手间的纸条传递信息。张汉超偷梁换柱，用假消息引钱固仁带他们找特务组长。眼看张汉超的计划就要成功，狡猾的祝山猿却在这时发现了钱固仁上当、为了不让自己暴露，他竟残忍的驾车撞死了钱固仁。祝山猿虽然不知李文蕾就是杂货铺的“夏小姐”，但此事还是引起了他的警惕，担心公安在调查自己。保密局催促祝山猿加紧行动，下了最后通牒。无奈之下，祝山猿只能冒险约见“夏小姐”，索要雷管。

李文蕾和祝山猿在电影院门口见到对方时，都很意外。狡猾的祝山猿一直未表明身份，李文蕾三番五次试探，对方都掩饰了过去。祝山猿以为李文蕾的出现是因为公安在跟踪自己，并未发觉她其实就是“夏小姐”。他主动打电话约“夏小姐”在见面会当天将雷管送到饭店。当天夜里，祝山猿用公用电话打到杂货铺。工作组事先在这部电话上安装了转接器，电话直接连到了上海公安局。

行动当天，祝山猿主动献殷勤，开车送谢音梦前往金门大酒店。看守拦住祝山猿，一个新的敌方潜伏者出现，正是保密局最初收买的报社社长，只要上海市长被刺杀，他就会立刻在全城发送反动社论，在舆论上为国名党反攻上海造势。正是这位报社社长以自己的身份做担保，让祝山猿进入到了进门饭店。敌我双方进入到最后的博弈阶段。

报社社长假借采访慰问“勇斗敌特”好市民，亲自到医院“探望”祝山猿，要他在即将举行的上海人民庆祝五一劳动节大会上动手。此时，上海市公安局有了新的发现。谢音梦失踪多日的女跟包的尸体在郊外被找到，法医从她的手中找到了一颗扣子。谢音梦认出尸体手中的那颗扣子，和自己为“袁先生”订做的衣服上的扣子一样，惊慌的谢音梦半夜找到了专案组。证明袁山是真正的凶手，成了专案组的当务之急。

五一劳动节庆祝大会开始了，现场人头攒动，热闹非凡。隆重而喜庆的气氛下，似乎没有任何异常。谢音梦手捧花篮走向市领导，她丝毫没有察觉到，昔日温文尔雅的恋人祝山猿已经设计将炸弹藏在了花篮中。按照祝山猿的计划，在她将花篮献给市领导的一瞬间，炸弹就将引爆。

1949年12月21日是斯大林七十诞辰，应斯大林邀请，毛泽东主席亲率代表团访问苏联。在主席最终到达前，专列的具体出发日期是国家最高机密。11月底，发生了一件蹊跷的案子。一个从江西来京的采购员被人杀害。毛主席此次访苏，给斯大林准备的七十诞辰礼物中有一车皮蜜桔，而这名采购员就是送蜜桔来的，结果在等待蜜桔调度装车期间被杀害。这看似是一起普通凶杀案，事实上，这背后隐藏着一个巨大的阴谋。

公安部截获了一封由北京发往台湾的电报。公安部电讯部门根据电台的讯号和波长，多番调查，最终发现这个电台在解放前就已经潜伏在北京，只是暂时没法掌握具体位置。唯一知道的就是，此人每次发电报，都会挑衅般的用明码打出发报人的代号：049。

专案组多番审问后得知，衣服是王贵从废品堆里捡到的，因为他一向经济拮据，见衣服质量好，衣兜里面还有钱，所以他悄悄把衣服藏了起来。无论专案组如何审问，从环卫工人王贵这里都没法获得更多的信息，线索到这里戛然而止。

两名从台湾出发的国民党特务乘飞机空投到了哈尔滨郊外，二人刚一落地就被早已埋伏在此的专案组和哈尔滨当地公安联手抓获。专案组连夜审问，二人最终交代，他们此次空投来哈尔滨的任务，正是给被代号为049的特务收买双城的土匪头子马三送委任状和美金，让他配合049炸毁专列。 然而领头的空投特务却迟迟不肯交代接头的地点和暗号。

季爱玲对于上次接头特派员迟到一事一直心存疑虑，所以接头当天她并没有亲自去，而是派了一个手黑子下去见特派员。经过董琦的从中斡旋，马三终于同意与“特派员”见面。然而在送张汉超和杨诚前往马三的山寨途中却发生了意外。

真正的049号特务季爱玲在发现双城车站的计划泡汤后，马不停蹄赶往大兴安岭，在那里，还藏着季爱玲最后的王牌。张汉超综合多方信息，判定049的最后行动地点应该在白雪皑皑的大兴安岭。此时距离毛主席的访苏专列到达只剩最后几天。时间紧迫，董琦主动驾车带专案组赶上了开往大兴安岭的最后一班火车。

专案组乔装成皮货商人在小镇的客栈住下寻找敌特049的下落。没想到当地一个小混混熊大兴反倒盯上了专案组，在他眼里拎着大包小包皮箱的专案组就是一只肥羊。熊大兴半夜入室盗窃被专案组抓获，张汉超想到利用小混混对当地熟悉的特点让他帮忙调查最近从哈尔滨到小镇的外来人员，并让其绘制了从小镇到山林铁路的路线图。

专案组对吕克明展开调查。这个人行为诡异，警惕性也非常高，引起了专案组的重视。在对吕克明调查的过程中，同住旅馆的林小姐收到了一封带血的要挟信。根据信件内容可以判断是因为她看到了吕克明藏有电台。为了不打草惊蛇，张汉超用工具开锁，偷偷潜入吕克明居住的8号房。他找了床底，衣柜，都没看见箱子。他用脚轻叩地板，想试探下面是否是空的，就在这时发现一处地板掉了很多灰尘，而其他地方都是干净的。张汉超望向积灰处的正上方，天花板似乎被人动过。他搭凳子打开天花板，果然看到了里面藏着箱子。

熊大兴得意的把知道藏药地点的事情告诉了化名林玲的季爱玲，殊不知自己是在与虎谋皮。季爱玲担心消息走露，设计把熊大兴毒杀在客栈。熊大兴的小弟见大哥迟迟不归，以为是被住在客栈的专案组扣押，气势汹汹带着兄弟上门要人。专案组从熊大兴小弟口中得知敌特已经在大兴安岭隧道附近埋藏了货物，种种迹象表明敌人掩埋的货物一定就是炸药！

专案组唯一没有受伤的王黎生在老猎人的帮助下终于下山，他找到赶回的当地派出所民警，连夜上山搜救，却没想到和专案组成员在隧道埋雷点相遇。隧道里的炸药也在派出所民警的配合下被挖了出来。但是常年与敌特打交道的专案组成员却并不敢松懈。按照以往的惯例，敌特在这种大行动上都会有备案，也就是说隧道附近很可能还藏有炸弹。

专案组在熊大兴手下一帮人的配合下，终于摸清化名林玲的女子就是049号特务季爱玲，并对其展开搜捕。几经周折，专案组终于找到备用埋弹点，但是这也是季爱玲破坏专列访苏的最后手段，她已经丧心病狂，率领所有残部妄图死守埋弹点。双方在最后一关展开激烈交火。张汉超和董琦急忙赶去埋弹点，经过一番搏斗，终于制服了在引爆点的敌特。就在张汉超准备拆弹的时候，受伤的季爱玲拿枪做最后的反击，董琦挺身而出挡住子弹，让张汉超成功拆除炸弹。

专案组几经周折终于发现了林思学的举报信，信中提到有个叫江鹏的可能是美蒋特务，曾向林思学索要天安门排水图，张汉超判断敌人的目标很可能是天安门。情况紧急，专案组立即对天安门附近建筑展开搜查，并走访林思学单位及近期接触的人员，迅速掌握了江鹏的体貌特征。台北国防部保密局，毛人凤因“飞鱼计划”的失利而震怒，行动处处长刘权主动请缨，潜伏到北京完成飞鱼未竟的任务。毛人凤下令特启用新代号“猎鹰”，行动代号“101绝杀令”，任务就是在10月1日国庆阅兵的时候在天安门搞一次震惊中外的大行动。

专案组一连埋伏了十天，敌人却突然销声匿迹，再也没有任何动静。原来，以府右小学校长身份潜伏在北京的保密局北京站代站长庄图宇，借赴中山公园开会之机，发现了专案组的行踪，下令停止挖掘地道。专案组根据现有线索，推测出敌人企图通过排水系统渗透进天安门附近伺机进行特务活动的阴谋，而所有的证据，都指向杀害林思学的凶手江鹏，张汉超下令，立即通缉江鹏。刘权伪装成的“段飞”和庄图宇接上头，对其擅自行动极其不满，不仅使江鹏濒临暴露，由其单线联系的两名外籍特务也十分危险。庄图宇承认他私自策划让手下通过地道潜入天安门附近伺机行刺，代号“鼹鼠行动”。

专案组经过一番调查搜集到不少证据，却依然无法推断江鹏四处应聘教师的真正目的。“段飞”下令火速安排江鹏撤离北京，却发现所有出京线路均已设专人巡查，“段飞”意识到江鹏不保，不得不弃卒保车。与此同时，专案组也通过蛛丝马迹查出了江鹏的真实身份其实是保密局北平站的外勤姜彪。“段飞”以林思学学生的身份主动登门拜访张汉超，企图了解案情进展，高手过招，不免一番试探，张汉超虽未怀疑“段飞”，“段飞”也同样无功而返，然而双方的交手此时才刚刚开始……

专案组对江鹏展开审讯，不料江鹏负隅顽抗拒不招供，张汉超决定步步为营，逐渐瓦解他的心理防线。为掩护庄图宇不致暴露，“段飞”需要捏造江鹏就是林思学案主谋的假象，他找到一间房子作为江鹏进行特务活动的据点，在其中准备了诸多证据，并狡猾地设法将消息传给了狱中的江鹏。江鹏得到指令很快招供，据交代，他通过收音机直接接受台湾方面指挥，接到的任务就是通过地道渗透至天安门附近伺机行刺，代号“鼹鼠行动”，他是行动小组组长，另还有两名组员。他的住处由于经常有居委会走访，只作为居所，另有一处安全房专门作为特务活动的据点。

庄图宇向山口隆一和李安东传达了“段飞”的命令，两人对此次行动兴奋不已，根据迫击炮的性能和李安东所掌握的资源，很快确定最佳炮击地点为东交民巷。“段飞”向台湾保密局发报请求物资支援，电报很快被我公安部门截获，李文蕾却发现对方启用了新的密码无法破译，张汉超指示，全城搜索敌台。与此同时，台湾保密局一份紧急送往毛人凤办公室的绝密电文也引起了张岚的注意……张汉超几经周折反复推敲，终于发现了府右街安全房的可疑之处——江鹏两处住所的证据是割裂的，完全指向不同的方向。

江鹏被毒杀，在狱中和他接头的刘大力却意外活了下来，专案组根据他提供的线索，锁定了刘大力的上线李二疤子，然而专案组终究还是慢了一步，被“段飞”抢先将李灭口，江鹏这条线索又断了。“段飞”通过广播得知台湾的空投物资送到了，亲自跟车去热河草原接收，不料遭遇我巡逻民兵，被迫放弃物资。热河省公安厅对缴获的空投物资高度重视，立即上报公安部。自上次的突然发报起，李文蕾重点关注的那部敌台已经连续三天没有动静了，张汉超根据敌人此次的任务性质，判断上次的发报很可能是偶然事件，想要揪出幕后黑手，还是得从最开始的江鹏查起，而死人恰恰是没法说谎的。

专案组发动群众，对江鹏展开深入调查，黑芝麻胡同居委会积极配合专案组工作，其中一名人力车夫向专案组提供线索，称经常拉江鹏去东交民巷的圣弥额尔教堂，而专案组之前没有发现任何江鹏是天主教徒的迹象，且距离黑芝麻胡同最近的天主教堂是位于王府井的东堂，为何江鹏舍近求远要去东交民巷？张汉超推测圣弥额尔教堂很可能是江鹏接头的地点，专案组立即前往调查。 专案组赶到教堂时，李安东正在和庄图宇商议炮击事宜，庄图宇来不及离开，只好躲进内室回避。张汉超巧设计谋看出破绽，庄图宇暴露在即，不想李安东及时赶到为其解围，专案组无功而返。

张汉超已经确定庄图宇和李安东的特务身份，然而由于李安东是外籍人士，庄图宇又是著名士，专案组非常谨慎，在没有拿到确凿证据前不能逮捕。他下令严密监控府右小学和圣弥额尔教堂，跟踪嫌疑人庄图宇和李安东。“段飞”对两人的暴露也心知肚明，然而此时两人的功能业已发挥完毕，每多拖延一天，他们离最终目标就越近一点。张汉超故意与庄图宇的吉普车发生剐蹭，借修车之机发现了一些线索，却仍不足以作为直接证据。不想此时庄图宇竟自己找上门来，责问扣车事宜，索要未果便发文见报，凭借其在文化界的影响力，利用扣车及跟踪之事大做文章，一时间舆论哗然，专案组不禁倍感压力。

就在专案组一筹莫展之际，张汉超决定将计就计，以公安部名义主动登门致歉，且为保证学校的安全，义务为学校做全面安全检查，庄图宇无计可施，只得答应大门洞开，任人检查。李文蕾很快找到了庄图宇的手枪和发报机，而王黎生则在地窖发现了一块形状可疑的压痕，久经沙场的杨诚一眼认出，留下那个痕迹的必定是六零迫击炮无疑。专案组逮捕了庄图宇，如今敌人企图用迫击炮破坏国庆阅兵的阴谋昭然若揭，张汉超判断迫击炮很可能就藏在李安东的教堂，命杨诚带队逮捕李安东，搜查圣弥额尔教堂。杨诚逮捕了李安东，然而圣弥额尔教堂除了一把手枪之外什么武器也没有。

就在张岚行将发报之际，国民党特务破门而入，交通员为掩护张岚撤退壮烈牺牲。在最终的搜查过程中，杨诚忽然意识到他曾经在东交民巷见过的那个卡车司机就是王海，而由公安干警和群众组成的走访小组也发现了山口隆一的破绽，专案组立即扑向位于东交民巷的那座四合院。经过一番激烈的战斗，专案组终于在最后一刻瓦解了敌人的阴谋，保卫了天安门，保卫了党和国家领导人的安全，但是李文蕾和杨诚均负了伤，张汉超更是被巨大的爆炸震得晕了过去……包括王海和山口隆一在内的所有特务均被击毙，新中国成立一周年国庆大典的一切似乎都在按部就班的进行，谁也没有想到，“段飞”还在悄悄地进行着他的计划……

张汉超根据自己在四合院爆炸现场发现的一个细节，推断出真正的幕后黑手很可能不是王海，而是“段飞”。李文蕾按照张岚送来的密码本迅速译电，之前的种种疑点一一得以验证，一切真相大白，一个以“猎鹰”为首的敌特团伙彻底浮出水面，而这个代号“猎鹰”的特务正是冒充林思学学生的”段飞”！周远翔下令立即抓捕“段飞”。“段飞”原计划趁夜渗透至中山公园，待到国庆观礼时狙击天安门城楼上的党和国家领导人，然而公安严密的搜查让他无处遁形。经过一番拼死较量，付出了流血和牺牲的代价，专案组终于在国庆典礼前将“段飞”击毙！