1948年的北平，守城的国民党108师副师长接到密令，要在北平主要的名胜古迹开掘地道或暗室，并提前埋装炸药，一旦北平失守，就同时引爆，以使共产党接收一座死城。此次行动的代号为“X计划”。仁德医院的护士林倩如因曾被青年周伯勋搭救过对周伯勋产生了好感，周伯勋称自己是国民党军医，但他的行踪却有些诡秘。

日本关东军的佐藤是国民党108师的俘虏，“X计划”中已经开掘出的部分地道就是由他负责实施的。他要求回国并把他的名字从战俘的名单中消除，侯天柱答应了他，条件是他必须将焦志新藏匿的图纸找回来。周伯勋在侯天柱的监督下对焦志新执行枪决，他一枪命中焦志新，令侯天柱露出了满意的笑容。当夜，大雨倾盆，昏迷中奄奄一息的焦志新被浇醒，他艰难地向前爬行，终于跌跌撞撞地离开了刑场。

焦志新被警察前堵后追难以脱身，情急之中翻入酒会大宅的后花园里。陪同母亲来参加酒会的苏小雅碰巧看到焦志新奔逃而来，一把拽住他躲进了女盥洗室。在苏小雅的掩护下，焦志新得以逃脱。焦志新的行为受到章少川的严厉批评，说他的刺杀行动差点给地下组织造成巨大的损失。果然，第二天全城戒严进行大搜捕，章少川紧急安排将焦志新送出城去往解放区。

章少川告诉焦志新，北京和平解放留下了大量残余敌特，为了保卫新生的红色政权，保卫首都的安全，除奸反特的任务十分艰巨。焦志新回北京后到处寻找林倩如，但他一直未得到林的消息。一天，焦在穿行街道的人群中感觉到一张熟悉的脸，他一下子认出是周伯勋，待要追时发现周伯勋已经消失在人群中了。

小楼中，值班的焦志新与郑贤治都听到了动静，两人追踪至地下室，却见两个黑衣人为抢图纸已打作一团。交战中，一黑衣人被当场击毙，焦志新与郑贤治均被打晕，而另一黑衣人侯天柱的手下黑三则带伤携图纸逃了。经查证，被击毙的黑衣人是美国中央情报局的间谍。

焦志新去颐和园勘察古建筑保护情况，为救落水的游人与苏小雅再次见面，二人忆起两年前焦志新刺杀冯秉堃时相识的情景，对建筑的志趣相投使两人的距离很快拉近。焦志新让小雅帮忙问苏云轩图纸的事，小雅答应。苏小雅申请参加父亲的建筑修缮队，苏云轩很是高兴，父女关系有所缓和。焦志新在路上碰见冯秉堃，紧追不舍并当街将冯秉堃拦住。冯秉堃说他是医疗器械公司的经理，不是什么周伯勋，焦志新则要把冯秉堃带回公安局，冯秉堃逃脱。

公安局对黑三实施监控，黑三却在杨柳的眼皮底下跑掉了，焦志新大骂杨柳。杨铁君到侦查科来找妹妹杨柳，焦志新认出他就是当年护送自己出北平的人，也知道了苏小枫是他的女朋友。杨柳提出通过银行查找从境外汇来的大宗款项寻找线索的想法，焦志新予以支持。杨柳在查帐过程中遇到小学同学唐耀宗。苏小雅来找焦志新，希望他能去参加妹妹的音乐会，焦志新听说苏云轩也会去，答应了。

苏云轩见女儿与焦志新来往日密，明确表态说不希望小雅与公安局的人打交道，小雅很不理解但坚持按自己的意愿行事。杨柳和同事杜庆元去天津查帐被人跟踪遭暗算，杜庆元受重伤。佐藤派人送来了电台，侯天柱同意与他们合作。冯秉堃接到一张画有猫头鹰图案的明信片，他着急地奔出家门，林倩如追出，却被冯秉堃发现，他问林倩如是不是焦志新让她来跟踪的。

林倩如直接询问冯秉堃的真实身份，两人冲突渐起。苏小雅帮焦志新画图，两人四目相对拥抱在一起，但因为史仲良与苏小雅订婚在先，所以焦志新又理智地拒绝了小雅，小雅痛苦离开。林倩如劝冯秉堃去公安局自首，冯秉堃答应考虑，但让林倩如不要再跟焦志新见面了。

杨柳从天津返回，查出几笔大额汇款。她又调动唐耀宗的关系使线索更加清晰了，原来，这几笔汇款均是汇给史仲良的母亲方敏并由史仲良签领的。苏小雅生病，焦志新去医院看望，小雅说她的病在心里，焦志新答应在她出院后给她一个满意的答复，二人紧紧拥抱，来医院看小雅的史仲良正好撞见了这一幕。史仲良质问焦志新为何破坏他和小雅的幸福，焦志新说选择谁是小雅的权利。

苏小枫和杨铁君在史仲良家帮助布置新房时发现了一架电台。就在苏家一家人准备第二天的婚礼时，焦志新等人找上了门并把不回答任何问题的史仲良带回了局里。当听说母亲因担心而昏倒后，史仲良主动交代了情况，说电台和他收的汇款都是苏云轩的。随即被请到公安局的苏云轩要求见章少川，他向章少川说明了电台和汇款的来历。回到家的史仲良却没了急着结婚的热情，他说自己累了，想休息休息，小雅表示理解。

苏小雅新婚之日，焦志新神情落寞，杨柳小心地宽慰他。婚礼在即，史仲良却突然失踪，苏云轩急得心脏病突发被送进医院。找不到史仲良而父亲又住了院，婚礼是无法举行了。为怕出差归港的史父担心，小雅和小枫只得先把史母送回香港，一家人在车站凄凉道别。

林倩如死而复生，佐藤和侯天柱都得到了“绑匪”的消息，各自安排手下要抢先下手去赎人，想以此为砝码拉拢冯秉堃。郊外，佐藤手下首先赶到，正要一手交钱一手交人时却发生意外，他们眼看着林倩如被“绑匪”击毙，只得撤退。等候天柱的人到了现场，那里已经一片狼藉，地上有两张林倩如被打死的照片。佐藤给冯秉堃带回了林倩如已被撕票的消息，侯天柱也予以证实，冯秉堃异常愤怒。

苏云轩让小枫去教堂看望生病的神父，小枫在教堂附近的小树林中发现了史仲良的尸体。因史仲良在结婚前一天曾去教堂祈祷，神父马约翰受到焦志新的盘问，神父只说他没有伤害过史先生。焦志新明显感到神父心中有不愿透露的隐情，他甚至认为冯秉堃可能与此事有关，章少川严厉批评了他的这种想法。唐耀宗得不到杨柳的好感内心郁闷，他在侯天柱手下孙发奎的小酒馆喝酒时拿出偷来的杨柳照片夸口说她是自己的女朋友，孙发奎惊讶不已。

侦查科开始了对郑贤治的监控，郑贤治有所察觉，他铤而走险，准备实施爆炸，被当场抓获后服毒自杀。苏云轩对小雅提出质问，小雅在严厉的父亲面前承认是她杀害了史仲良，因为史仲良发现了她的秘密。苏云轩对女儿已堕落为一个杀人犯而感到万分痛心，他要求小雅去自首说否则他就去检举，小雅答应考虑考虑。杨铁君通过自己研制的信号跟踪仪发现了可疑电波，他追踪到苏家并看到了正在发报的苏小雅，正惊讶时佣人赵妈已将他打昏。

孙发奎对唐耀宗说侯天柱替他还了赌债，唐耀宗感激不尽，但他马上就知道了他们的目的，那就是让他加入他们的特务组织。等唐耀宗明白过来时，他已身不由己了。苏小雅和佐藤接上了头，她以“大少爷”的身份正式露面，开始筹备实施“X计划”。

苏云轩经过抢救脱离危险，但女儿堕落为间谍使他感到非常伤心和自责。苏小枫也从父亲嘴里得知了苏小雅的所作所为，她难以相信她一直崇拜的姐姐会是个特务。杨柳从焦志新那儿看到已被毁坏的哥哥的汽车照片，心中焦急万分，四处寻找也没有结果。她到苏家几次才碰上苏小枫，知道苏云轩住院的情况。两人对杨铁君的失踪担心更甚。

佐藤设宴给冯秉堃接风，苏小雅对冯秉堃表示出极大的怀疑，她说这种被抓又被放了的人最危险。半夜，唐耀宗被人抓走，苏小雅亲自对他行刑，逼问是不是公安让他透露冯秉堃被押解的消息，唐耀宗经不起折磨，受惊吓而死。为了转移公安方面对文物古迹保护的注意力，苏小雅决定去发电厂制造一起爆炸案，以造成全市大停电，也为他们趁黑夜前往秘密炸药库做准备。她点名让侯天柱派冯秉堃和孙发奎跟她去行动。

冯秉堃在公园内取到情报后，两个形迹可疑的人朝他走去。埋伏在四周的公安人员都紧张地等待现场指挥发出营救的信号，但隐蔽在花棚中的焦志新紧张地注视着外面的动静，阻止了刘处长发出信号的行动。果然，佐藤和苏小雅此时也正在附近小楼顶上用高倍望远镜监视着冯秉堃及四周人员的一举一动。冯秉堃终于经受住了 “考验”，满头大汗的焦志新也深深地松了一口气。

冯秉堃回到秘密联络点，却看到林倩如被推到了他的面前。苏小雅为了再次考验冯秉堃，要求他当场开枪打死林倩如，当冯秉堃在特务的包围中被迫按动扳机时才发现枪膛里并没有子弹，佐藤等笑着说佩服冯秉堃的大义灭亲，他们要留着林倩如做更大的用处。

当焦志新率领公安人员赶到教堂时遇到正准备转移炸药的苏小雅，焦志新亲自将苏小雅押上了警车，但在途中苏小雅却突然装病骗过了焦志新逃脱。离国庆节只有四十八小时了，公安人员们心急如焚。苏云轩突然收到匿名警告信，威胁他不要参与目前事件，他对照信封上的字迹，感觉到信纸上散发出特殊的香味，他突然意识到秀子可能并没有死。

苏小雅拿着游园证进入了中山公园。接到报告的焦志新和冯秉堃也随即赶到，开始对公园进行搜索。马约翰首先发现了苏小雅的行踪，他拦住小雅劝她悬崖勒马，但苏小雅却把尖刀刺向了马约翰。当苏小雅把枪口对准企图制止自己的苏小枫时，焦志新及时赶到将苏小雅抓获。苏小雅被捕后拒不交代炸药藏在哪里，但冯秉堃和焦志新还是从蛛丝马迹中分析出炸弹被安放在了彩车上，气急败坏的苏小雅被杨柳押送回了公安局。