深夜，马天明与阿力去章家盗画，却发现章家已被灭门。尾随两人的小四则撞见一个鬼面人离开章家。警笛声传来，三人慌忙离开去找接头人刘江，发现他已被灭口，三人只得坐船离开上海暂避风头。大德洋行总经理朱天德，是中共游击队秘密资金的管理人。国民党特务伪装成地下党前来接头，被朱天德识破，火拼中，特务被杀，朱天德也中枪昏迷。党务调查处陶成凯接手此案，以筹建孤儿院为筹码，把朱天德转入了衡山医院。苏区游击队决定从派遣有医学背景的蔡里昆打入衡山医院，营救朱天德，此行动被命名为“北斗行动”。

薛宁到衡山医院归还蔡里昆落在船上的皮箱，借机试探马天明。陶成凯查出“安徽号”上的火拼是力行社抓捕共产党引起的，也对马天明的身份有所怀疑。小张潜入马天明宿舍发现了他从船上带下来的血衣。陶成凯的副手李全晚他一步入屋搜找，一无所获，只得离开。陈正源是朱天德的主治医师。陶成凯向陈正源打听“蔡里昆”的来历，引起陈正源对马天明的敌意。马天明再次见到白茱莉，言语轻佻，白茱莉不敢相信对方是曾与自己通信往来的蔡里昆博士。

布莱恩病危，马天明推脱手受伤，不能进行手术。白茱莉于心有愧，提出可以当马天明的助手。马天明按照笔记本中的方案，指导白朱莉顺利为布莱恩切除了胆囊。但他身为外科医生却晕血的事，引起其他人的怀疑。鬼脸人跟踪阿力找到了他和小四的住处。薛宁和下属武探目也通过郎中提供的线索找上门来。阿力和小四躲过追捕。薛宁发现有人在追杀马家兄弟。白茱莉请薛宁帮忙救助孤儿，但警察赶到时，已人去楼空。白茱莉回想起牛二看见马天明时的反应，怀疑两人相识。

马天明用一枚戒指收买牛二，让他帮着打听小四的下落。马天明回医院告诉白茱莉，牛二的目的只有钱，他会帮忙救出孩子，让白茱莉别再插手。蔡里昆被当成韩诚送进衡山医院，他决定继续假装昏迷，见机行事。马天明认出蔡里昆，向白茱莉打听他的病情，得知他随时可能醒来。夜里，小张和马天明先后潜入蔡里昆的病房，发现了彼此。力行社得知蔡里昆转院，不愿放弃这条线索，又顾虑陶成凯的势力，让曲如森以大学教授的身份进入衡山医院疗养，暗中调查。

白茱莉从马天明抽屉里找了的镇静剂，误会他想用卑鄙的手段扳倒陈正源，让他立刻离开医院。马天明解释只想让蔡里昆晚醒几天，他有必须留在医院的苦衷，等事情一解决他就会离开，求白茱莉不要揭穿他。马天明制造假火灾引开众人，准备再次给蔡里昆注射镇静剂，反被装睡的蔡里昆制服。蔡里昆要马天明配合自己，否则就揭穿他的身份。陈正源又在蔡里昆病房里撞见马天明，大发雷霆，两人争执不下，苏院长决定让两人共同负责蔡里昆的治疗。

马天明制造假火灾引开众人，准备再次给蔡里昆注射镇静剂，反被装睡的蔡里昆制服。蔡里昆要马天明配合自己，否则就揭穿他的身份。陈正源又在蔡里昆病房里撞见马天明，大发雷霆，两人争执不下，苏院长决定让两人共同负责蔡里昆的治疗。鬼脸人潜入石库门寻找章娜娜，娜娜从窗户逃走，被大毛等孤儿所救。马天明终于能正大光明地进病房看蔡里昆。蔡里昆说出朱天德和500万的事，但隐瞒了自己的真实身份。自己可以帮马天明继续扮演医生，但马天明得协助他救出朱天德，找到密码。蔡里昆借口帮马天明整理病例，查探朱天德的下落。 陈正源主动退出蔡里昆的治疗，但派白茱莉协助马天明，想让她监视马天明。

马天明新开的药方和诊断报告突然变得专业，引起白茱莉的怀疑。白茱莉带林静珊、小田去蔡里昆病房，发现门被锁。病房内马天明正和蔡里昆争执，见状谎称在给蔡里昆进行全裸的针灸治疗，不方便让女士查看。为了让白茱莉之后少管蔡里昆的事，马天明大吵大闹一番，把白茱莉气走。夜里，有人偷偷进入蔡里昆的病房拍照。马天明根据蔡里昆的形容，猜出来人是小张。蔡里昆翻完所有病例也没有找到朱天德，猜测小洋楼的13号病人可能就是朱天德。马天明提出可以申请做朱天德的主治医师，借机进小洋楼查探。蔡里昆怕引起陶成凯怀疑，让他先按兵不动。老吴看到报纸上关于“安徽号”枪击案的报道，带着血衣上的胸牌去敲诈马天明，马天明用一枚宝石戒指换回了胸牌。

出身贫苦的马天明浪迹在上海滩，遭陷害卷入一场灭门惨案，逃亡过程中意外顶替了留洋医生蔡里昆的身份藏身于衡山医院。红色商人朱天德手里掌握着一大笔秘密的红色资金，却在躲避敌人追捕时突发急病昏迷，住在衡山医院。国民党特务，日本军部，上海青帮等各方势力都对这笔巨款虎视眈眈。因伤也住进衡山医院的蔡里昆本人正是苏区派来接应朱天德的特派员，他让马天明维持假身份，两人结成同盟，与各方恶势力周旋。在险象环生的斗智斗勇中，原本一心为财的马天明被革命者蔡里昆的高风亮节所打动，真正成长为一个深晓民族大义的革命战士，最终战胜了恶徒，完成了组织交予的任务，同时也为自己洗清了冤屈。

丝绸大亨王公子因严重烧伤入院，陈正源借口病人太多，把这烫手山芋丢给马天明。蔡里昆扮作马天明替他进行了植皮手术。顾晓曼把被海纳川欺骗感情，并被拍下裸替照片威胁的事告诉了白茱莉。马天明看白茱莉为顾晓曼担心，答应帮她毁掉胶片。马天明编出十万英镑债券的故事，骗牛二跟踪海纳川，找到了他藏胶片的仓库。马天明潜入仓库，一把火烧掉了所有胶卷。仓库被烧，日本人的电影胶片全被付之一炬，中村大为恼火，怀疑是党务调查处的人因为海纳川私闯小洋楼的事进行的报复。

马天明告诉蔡里昆，看到小张夜探朱天德病房念诗的事，蔡里昆意识到小张可能是同志，让马天明用暗号试探他。马天明对小张说出早在第一次见面时就应该对上的暗号，小张激动不已，约马天明到望月楼见。两人在望月楼接头时被特务包围，小张为了掩护马天明被抓。马天明逃回医院，质问蔡里昆是不是共产党。蔡里昆避而不答，只说自己属于一个地下抗日组织，通过马天明帮助顾晓曼一事，看出马天明也痛恨日本人，希望马天明帮助自己。

白茱莉看到报纸上海纳川的死讯，认为自己为救一个人而害死另一个人是有罪的，同样为了小张的死而愧疚万分的马天明被她的话刺激到，两人不欢而散。马天明在天台的凉亭睡了一夜，终于冷静下来，他知道小张一定是宁死不屈，才会死于酷刑，马天明向蔡里昆发誓，将来拿到钱，会代替小张孝敬父母。大毛来找白茱莉，求她救救高烧失明的小哑巴，小哑巴就是章娜娜。白茱莉准备带走娜娜，被喝得烂醉的阿财撞见。阿财见色起意，要轻薄白茱莉。白茱莉反抗中，失手刺死阿财。

马天明得知真相惊慌失措，指责蔡里昆让不知情的自己冒险。蔡里昆晓以大义，告诉马天明，朱天德手里的资金是抗日游击队的救命钱。马天明坦言自己很钦佩共产党，但做不到大义凛然，所做的一切只是为了救小四，并不愿意冒生命危险，希望蔡里昆不要再骗自己。马天明给朱天德针灸，手法专业，赢得了陶成凯的信任。同意他夜间值班。阿财的尸体被发现，薛宁在现场发现一支高级口红。目击证人看到阿财死前跟一个女人还有和一个小女孩拉扯，种种线索让他想到白茱莉。薛宁找白茱莉调查阿财的死，白茱莉惊慌失措。马天明出面解围。薛宁提出要看白茱莉收养的孤儿珠珠，白茱莉以珠珠在治疗眼疾为由推脱，为转移薛宁注意说出“韩诚”已醒。

蔡里昆的病房钥匙在林静珊手里，于是马天明千方百计接近林静珊。中村得知顾晓曼假死的事，让林静珊故技重施，约马天明到餐厅杀了他。林静珊想劝说中村别杀马天明，反而挨了一巴掌。马天明看到林静珊脸上的指印，为她打抱不平，林静珊顺势把马天明约到餐厅，下药把他迷晕。但最终不忍，制止手下勒死马天明。中村因林静珊私放马天明要她自裁。林静珊为保命，说出朱天德的红色资金，强调只有马天明能救醒朱天德，不如等马天明救醒朱天德后再杀他。阿力到黑人咖啡馆打听马天明有没有来过，看到马天明在酒瓶上留下的暗号，找到了衡山医院。

马天明把从林静珊身上偷到的钥匙交给蔡里昆，蔡里昆打算晚上出去接头。马天明无意间中听到李全说已经在周记裁缝铺布下了陷阱，匆忙结束治疗去给蔡里昆报信，发现他已经走了，只能假意邀请林静珊看电影，开车带她出了医院。马天明一进电影院就借口溜了。蔡里昆来到裁缝铺，假装问路，观察情况，发现假掌柜对不上暗号，察觉有异，逃跑中被特务追捕。马天明及时开车赶来救走了蔡里昆。假掌柜郭淮看到了蔡里昆的脸，并认出救走蔡里昆的车是黑色雪佛兰。李全带人排查全上海登记在册的黑色雪佛兰，查到了苏院长的车。陶成凯让武探目帮忙调查。

用了蔡里昆的治疗方案，朱天德的病情仍毫无起色，从法国带来的特效药也即将用完。蔡里昆决定用救顾晓曼的方法，假死转移朱天德。牛二告诉马天明，武探目已同意私放小四，但小四不配合。现在小四即将被转移去警备司令部大牢，只能在路上下手劫囚，需要更多钱收买巡捕房的人。马天明正准备给朱天德注射假死药时，发现他手指动了，还睁开眼睛，却做不出进一步的反应。陶成凯突然出现，幸好没有被他发现朱天德的异常。马天明将朱天德的情况告诉了蔡里昆。为了摆脱禁闭，蔡里昆故意在白茱莉面前装疯，马天明顺势提出这是禁闭造成病情加重，白茱莉答应找苏院长求情。

苏院长答应解除蔡里昆的禁闭。蔡里昆来到朱天德病房里，朱天德却没有任何反应。蔡里昆猜测可能需要特定的刺激，于是想起小张曾给朱天德念诗的事，猜到小张念的应该是和朱天德之间的接头暗号。蔡里昆根据马天明的回忆，在书里找到了小张念过的诗。马天明对着朱天德反复念，朱天德却毫无反应。蔡里昆猜测朱天德得了基督山综合征，处在假性昏迷状态，意识是清醒的，只是无法动弹。曲如森发现马天明和蔡里昆走的很近，而蔡里昆总是在看报纸上的广告，出言试探，蔡里昆用疯言疯语混弄过去。小四将被转移到司令部大牢，马天明急于救人，找阿力商量，被路旁冲出来的一辆车劫走。

弟弟和钱都没了，马天明绝望买醉，差点在陶成凯面前露陷。幸亏林静珊给他注射了镇静剂。蔡里昆再次给朱天德念诗，朱天德睁眼醒来。蔡里昆把从田楚君处得知的红军的消息告诉朱天德，朱天德激动地眨眼。苏院长发现保险箱里的善款失窃，马上报警。薛宁发现医院已经解除了蔡里昆的禁足，警告马天明不要乱来。因为病房闹老鼠，陶成凯带着工人，要把小洋楼的通风口全部钉死。通风口全部被封，蔡里昆无法进入小洋楼，朱天德的治疗再次陷入僵局。

薛宁来到医院，拿出章娜娜的照片向白茱莉求证，确认了珠珠就是章娜娜。薛宁让白茱莉发誓和阿财的死无关。白茱莉痛苦不已，抢在想替她背罪的马天明之前承认是自己杀了阿财。白茱莉准备跟薛宁去自首，却发现薛宁已经走了，并托护士带话，让白茱莉照顾好章娜娜。薛宁扮成搬家工混进白家，看到章娜娜深得白会长夫妇的疼爱，很欣慰。丁云峰让手下给小四打吗啡，趁他犯瘾时审问他马天明的下落，小四说出马天明现在是医生。

马天明为了保住性命，说出在衡山医院找寻五百万的事，假意要用这笔钱换兄弟三人活命。丁云峰同意给他一个月的时间弄到钱，但要留下小四做人质。薛宁拿出在牛二处找到的钱质问马天明，马天明终于承认自己的身份。薛宁押着马天明来到苏院长办公室，却主动帮他解释，说牛二派孤儿偷走了善款。薛宁告诉马天明和白茱莉，珠珠就是章娜娜，他担心章娜娜会被灭口，提醒白家注意安全。陶成凯因为梅司令的事被问责，上峰勒令他撤出衡山医院，让力行社接手。李全和陶成凯翻脸，被陶开枪打伤，跑去投靠曲如森。

薛宁得知章娜娜被人劫走，认为事情和武探目有关，警告他不要再为钱害人。武探目想从背后偷袭薛宁不成，反而摔倒被自己手里的玻璃瓶扎死。丁云峰的手下把章娜娜交给了鬼脸人二麻。马天明准备找白茱莉坦白所有事，撞见茱莉割腕自杀。他破门而入抱出白茱莉，白茱莉被抢救过来。林静珊劝马天明带白茱莉远走高飞，继续蹚浑水只会丢了性命。蔡里昆和马天明在病房里研究朱天德手指敲击的节奏，老吴被曲如森收买，在病房外偷听。蔡里昆认朱天德是在用手指敲击某种密码，希望尽快和外面的同志接头，被老吴听见，跑去向曲如森告密。

蔡里昆认朱天德是在用手指敲击某种密码，希望尽快和外面的同志接头，被老吴听见，跑去向曲如森告密。曲如森进入朱天德的病房查探，一无所获，但被林静珊撞见。林静珊把看见曲如森进朱天德病房的事告诉马天明，想借刀杀人。蔡里昆开车送苏院长外出办事，被曲如森跟踪，这是一招声东击西，与此同时马天明替他去春来茶社送信。蔡里昆猜到朱天德是在用手指敲击的摩斯密码，破译了4位数字密码，外出告诉了田楚君。但花旗银行的密码应该有十位，还缺少6位。另外田楚君担心暴露，决定废弃春来茶铺这个联络点，让蔡里昆留心报刊广告。

曲如森已死，李全回到党务调查处，原来李全是陶成凯安插在曲如森身边的卧底。但曲如森守口如瓶，李全并没有得到很多消息。曲如森和老吴横死，小吴被抓，遭到力行社逮捕，被严刑逼供。蔡里昆试图让朱天德继续敲出余下的密码，没有成功。他离开时忘记将通风口的挡板合上，差点被李全发现，幸好被马天明遮掩过去。曲如森被杀的事使衡山医院声誉受损，还影响到孤儿院的筹建，苏院长找薛宁求助。薛宁告诉苏院长，小吴被党务调查处的人抓了，他也无能为力。马天明安排阿力当上医院新的锅炉工，并住在蔡里昆对面，蔡里昆认为马天明此举是安排阿力监视自己。

白茱莉带章娜娜去拜祭白会长。在白会长墓前，苏院长告诉白茱莉，白会长生前经常偷偷关照白茱莉曾帮助过的人，那些孤儿也是因为他出面才被收留。马天明一直躲着白茱莉，林静珊并告诉他，苏院长准备安排白茱莉去香港。蔡里昆找白茱莉话别，告诉她如果要彻底忘记一些事，首先要先学会去面对。白茱莉临走前和同事们一一道别，马天明却躲起来不和她相见。蔡里昆开车送白茱莉去码头，白茱莉告诉蔡里昆，已经知道了他的身份。既敬重他是蔡医生，也敬重他是共产党。章娜娜从噩梦中醒来，叫嚷着不想去香港，蔡里昆也劝白茱莉别走。

阿力在蔡里昆的教导和发展下，终于宣誓入党。蔡里昆教阿力摩斯密码，让阿力尽快学会。蔡里昆在马天明阿力协助下继续治疗朱天德，让马天明每天都让朱天德在轮椅上坐一会，有利于他恢复。丁云峰向二麻询问处理曲如森尸体的细节，让手下在拿到全部密码之后，把所有知情人都杀掉灭口。二麻说出当晚还有一个司机在场。马天明害怕丁云峰察觉蔡里昆的存在，解释说已经用钱封住了司机的嘴。有人在烟土里掺杂质吃死了人，中村敲打丁云峰，并再次提出要合作运海洛因，丁云峰怕贩卖海洛因风险太大，陷入犹豫。

林静珊向中村汇报了马天明出急诊的事，中村猜测可能与日本东北实验室逃出的病人有关，让林静珊继续查。林静珊向马天明试探病人的身份，马天明敷衍了事。朱天德终于敲出了完整的密码，马天明记录下来，但被陶成凯知道。陶成凯把马天明堵在病房外索要密码，说出早已知道蔡里昆和马天明的身份。马天明交出记录的摩斯密码，黑衣人出现，打伤李全，抢走了密码。同时在病房内，林静珊注射药物杀死了朱天德。回到车上与黑衣人会和，黑衣人正是中村。陶成凯认为杀人凶手和黑衣人同时作案，应该是同伙，而且凶手一定是医院内部人员，要求排查医院所有人。

白茱莉来看朱天德，被马天明堵在门外，态度强硬地要接手朱天德的治疗。白茱莉明知马天明不是医生，不肯把病人交给他，直接去找苏院长。陶成凯坚持要用马天明，苏院长只能宣布没有马天明的允许，任何人不准进朱天德的病房。蔡里昆感染肺炭疽已经超过30个小时，报告显示他的病情正在好转。但蔡里昆告诉马天明，自己身上病菌可能发生了变异，他想要培养减毒疫苗的办法也失败了。蔡里昆已经出现呼吸困难的前兆，症状缓和只是一种假象。林静珊听护士说马天明还在领药治疗朱天德，很诧异。中村要和林静珊一同庆祝成功取得密码，准备把密码交给日本领事，林静珊怀疑朱天德没死，试探中村。

白茱莉发现朱天德早已经死了，马天明告诉她朱天德被杀和引出凶手的计策，请她帮忙保密。但白茱莉认定是马天明治死了朱天德，认为他只是想隐瞒这场医疗事故。马天明让白茱莉验尸。蔡里昆出现高烧症状，生命只剩下不到12个小时，防疫局势十分紧张。日本领事责备中村只拿到一半的密码，中村认定是马天明搞的鬼，叫来林静珊商量对策。林静珊却说朱天德可能还没死。林静珊以测血压为名要进朱天德病房，被马天明拦住。林静珊约马天明晚上来自己宿舍，又被马天明想拒绝。林静珊只得说曾在病房外听到过枪声，并看到了马天明，马天明不知她的虚实，只能答应赴约。阿力认为，林静珊两次不请自来，极有可能就是凶手。

晚上，马天明带着花来找林静珊，花里藏着窃听器。陶成凯正带着特务设局抓捕林静珊。接表明了自己日本特务的身份，并戳穿马天明和蔡里昆互换身份的事，马天明情急之下，把朱天德已死的事说漏了嘴。林静珊承认是自己杀了朱天德。直林静珊让马天明交出密码，两人一起远走高飞。马天明推脱说密码在蔡里昆手中，而蔡里昆此时已经感染炭疽身在隔离区。马天明提出让日本人用炭疽血清交换密码，然后放走了她。陶成凯只抓到一个在仓库外面监视的日本特务，交给李全审讯。

马天明把用密码换血清的事告诉了蔡里昆，蔡里昆坚决反对，警告马天明，日本人狡诈万分，不会守信。当晚，日本人绑架了白茱莉，用她要挟马天明参加中日合作研究病毒的新闻发布会。马天明看到白茱莉被绑，咒骂中村和林静珊，林静珊伤心地抽了他两个耳光。李全带日本间谍青木去见记者，准备曝光日本研究细菌武器的事，青木找机会跳下楼梯天井自杀身亡。马天明被中村用枪指着上台，念完了“中日亲善共荣”的新闻发言稿，被民众大骂“卖国贼、汉奸”。

马天明、阿力祭拜蔡里昆，回程路上，被二麻劫持带到丁云峰面前。马天明告诉丁云峰，剩下一半密码已经被人抢走，丁云峰用毒瘾发作的小四威胁马天明帮他拿到另一半密码。衡山医院门口堵满了要采访的记者，陈正源以对外公开朱天德被杀一事向苏院长逼宫，强迫对方推荐自己继任院长。两人的对话被陶成凯听到。陈正源的儿子被人绑架失踪，陈正源回到家，在家门口发现一个渗出红色液体的麻袋，吓得半死。晚上，儿子也被人送回了家，还有一封写着恭贺他成为新院长的信，陈正源明白了一切，请了一个月病假。

马天明向丁云峰提议，引蛇出洞，约出盗走后半部分密码的人，让丁云峰派人在暗处埋伏，除掉对方拿到密码，丁云峰被说动。马天明约见林静珊，让她给中村传话，愿意用前半部分密码换白茱莉。但走前，马天明让林静珊不要出现在交易现场。中村接受马天明的提议，准备在交易结束后马上除掉马天明。阿力再次找到茶叶铺，终于与田楚君接上头，阿力向组织汇报了蔡里昆牺牲的经过，以及马天明准备引日本人和丁云峰狗咬狗的计划。

丁云峰逼小四杀马天明，小四不忍，马天明为救弟弟，抓着他的手对着自己的肚子开了枪。丁云峰带走了小四，让二麻处理现场。二麻把尸体都堆放在一起，放火烧了仓库。白茱莉听到仓库发生爆炸，担心马天明，想掉头回去，阿力不为所动。薛宁带人到仓库爆炸现场侦查，发现仓库外停着日本人的车。马天明重伤醒来，发现是二麻救了自己。二麻在马家兄弟身上看到了曾经的自己。但进了诚社就等于走上了不归路，手上沾满了鲜血。章家灭门那晚，他心软放过了章娜娜。但他救下马天明，是为了利用马天明除掉丁云峰。

阿力半夜偷偷来到丁公馆，想暗杀丁云峰，被薛宁拦住。阿力带马天明去见了田楚君，马天明表示愿意接替蔡里昆，继续完成北斗行动，一定要赶在丁云峰之前拿到钱。马天明让薛宁帮自己约见陶成凯。邀陶成凯一起对付丁云峰，并铲除日本的整个华北贩毒网。马天明把写有行动计划的纸条藏在钢笔里，偷偷转交给小四。小四收到钢笔，得知哥哥还活着，内心重燃希望。

白茱莉被阿力接出来出诊，没想到病人竟是杀父仇人丁云峰。丁云峰其实是中了慢性毒药，薛宁强调丁云峰手里握着贩毒网等重要情报，让白茱莉必须救他。阿力掩护马天明偷偷进入公馆，伪装成白茱莉的助手。病房中，白茱莉正准备下手杀丁云峰，马天明出现阻止。马天明从丁云峰随身携带的手杖里，搜出了另一半密码，和贩毒情报网的信息。