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本剧以新中国成立前后具有代表性的公安国保干部、战士为原型，塑造了高诚、严军、刘忠、董琦、祁雯蕾、张岚等一批国保英雄。从解放初期肃清消除预谋暗害国家党政领导的凶徒到建国一周年大典前机智化解“炮击天安门”危机；从角逐旧势力潜伏敌特分子的一次次刺杀计划到顽强追踪击毙敌特金牌杀手；从破解反动势力企图炸毁“毛泽东专列”的阴谋诡计到挖出威胁共和国心脏的敌特情报网；从建国后对敌作战最前沿获取关键情报到斩断敌特流动的最后纽带。他们凭借大智大勇，笑迎挑战，和以国民党保密局局长毛人凤为首的特务群斗智斗勇，一次次化险为夷。他们用自己的无怨无悔、理想信念为共和国新政权的稳定取得了不可磨灭的贡献。
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。
