故事发生在20世纪60年代的一个冬天。一幢小楼孤零零的陷在香港的夜幕里，来自定欧洲的华裔舰艇动力专家正在等候北京方面的接应者张晓明，然而却突然遭到了台湾特务的袭击。专家本人侥幸脱险，与他同行的两个学生却被杀害了。就在这个事件发生的前后，总部侦察员骆战等人正在红旗宾馆严密监视一个刚刚潜入北京的敌特，但奇怪的是这个监视对象没有任何动静，却又匆匆离开了北京。不过另一个被我方长期监视的特务，红旗宾馆服务员毛阳终于浮出了水面。张晓明在香港没能接应到专家，却遭到了敌特的跟踪。他立即与总部驻外机构负责人朱学峰紧急见面。汇报了专家遭遇意外的情况，由于情况不明，朱学峰要张晓明隐蔽待命，由自己立即向北京总部汇报。但是更令人震惊的事情发生了，第二天张晓明在香港还是落入了台湾特务手中。从敌人对他的审讯中可以得出结论，敌人显然已经完全掌握了那个华裔舰艇动力专家的任务和行程安排。倍感震惊的张晓明寻找机会破窗跳楼，摆脱了敌人。
基本上已经赋闲在家的总部反间谍专家许子风，这天在家里接待了反间谍局的局长崔志国和副局长秦全安，然后被带到了郊外射击场，在那里他和骆战一起，被告知了香港发生的事件及其背景：鉴于台湾海峡的复杂形势，我海军正在实施代号"512项目"的计划，以提升潜艇作战性能，华裔动力专家就是回国帮助解决一系列尖端技术问题的。为此，由我某舰艇动力研究所为主，还成立了专门的"协调小组"。就是这样一项高度机密的工作竟然被敌人所知晓，这只能得出一个结论，在我们内部有间谍。许子风和骆战接受了总部下达的任务：奉命进入到"协调小组"之中，尽快找出这个间谍，确保"512项目"顺利完成。许子风见到了动力研究所所长马知远，详细询问了专家行动日程的知情者范围，显然这个范围很小。许子风感到事情不是那么简单了，他立即命令骆战转移了原来的郊外办公地点，迁到了城里箭杆胡同的一个小院里。鉴于香港的情况复杂，朱学峰约见了另一个外派人员蓝美琴，向她传达了北京总部的指示：先接替张晓明护送华裔专家安全入境，随后准备回北京，协助许子风的工作。
一架从广州至北京的中国民航班机上，许子风的女儿、空姐许婉云发现一个叫陆一夫的华侨似乎故意在引起她的注意。就在他们降落在北京机场的时候，陆一夫竟然晕倒了。在机长和同机的民航工作人员郭林的安排下，许婉云护送陆一夫去了医院。船舶动力研究所机要档案室主任李景，是许子风的前妻，她以前也是反间谍局的干部。这次，许子风的工作就首先从李景所在的机要档案室开始了。关于"512项目"一系列绝密的会议纪要都存放在这里。李景对许子风的到来同样充满了警惕，立即将此事向保卫处长范仕成进行了汇报，范仕成对许子风直接进入机要档案室显然非常反感。按照崔志国的指示，许子风和骆战一边圈定怀疑范围，一边开始了大量相关档案的阅读，力图从中找到蛛丝马迹。同时迅速逮捕了一名代号"蜥蜴"的潜伏特务，以寻找侦破的突破口。虽然对他的审问没能得到什么有价值的东西，但却再次证实了我们内部有一个间谍的存在。红旗宾馆的毛阳，虽然再次进入了我方视线，但对这个狡猾的特务的监视，始终没有取得进展。
骆战成天陷于浩瀚的档案材料之中，不免有些怨气，这令本来就对工作要求极其严格的许子风感到不满，于是一些小冲突不断发生。不过有一次他们在箭杆胡同附近的人民餐厅吃饭时，骆战碰上了多年不见的女同学王晓京，看到王晓京对骆战的过分热情，许子风竟然像一个父辈一样鼓励骆战"大胆的上"，这让骆战看到了这个怪老头的另一面。许婉云对父母的离异始终无法理解，这天她来到李景独居的家中，看着李景孤独的生活现状，再次好意劝妈妈和爸爸复婚。李景生硬而苦涩地拒绝了女儿。北京的金属铸件厂里，潜伏特务周为民突然接到台湾指令，让其考虑发展下线，准备春节期间在北京进行一次破坏活动。虽然具体行动目标和方案还不知道，但对共产党心怀仇恨的周为民大喜过望，连忙和另一个潜伏特务庞艳取得了联系。已经将华裔专家安全送入国内的蓝美琴，正在准备奉命回国协助许子风工作了，却突然被朱学峰再次约见。原来过去我方的一名合作者黄伟业，突然与朱学峰见面，声称台湾情报机构有一个高层人士准备投诚，迫切希望与我方人员见面，并愿意提供大量情报。由于真假难辨，朱学峰请示总部后，决定让蓝美琴暂留几天，参与他和投诚者的见面。
在黄伟业的安排下，朱学峰、蓝美琴在香港与台湾情报机构一个叫但戈然的人如其见面了。但戈然表示愿意以情报换取回大陆定居，令人吃惊的是，他不仅知道我方"512项目"的几乎全部进程，甚至对香港出事以后我方对事件的基本判断以及怀疑范围、许子风和骆战的进入等等也了如指掌。于是，但戈然的真实身份已经毋庸置疑了。当晚，接到香港的汇报后，崔志国和秦全安紧急召来许子风、骆战，指令他们立即去香港，与但戈然进一步接触，以摸清对方的底牌。许子风一方面安排骆战先期去香港，另一方面再次查看档案，并再次找到过去是自己联络员的李景，让她帮助回忆是否听说过但戈然这个人，为香港的见面进行准备。特务周为民开始物色自己的"下线"，他抓住了同车间的技术员郑克信的弱点，与庞艳一起开始拉其下水了。那个叫陆一夫的华侨似乎因对许婉云产生了爱慕而仍留在北京，并开始寻找与许婉云接触的机会。先期到达香港的骆战，对蓝美琴这样一个漂亮开朗的战友感到吃惊。不过紧接着便在为与但戈然的见面所进行的前期准备中发生了争执，这让骆战从中领略到了她的另一面。
陆一夫再次来到北京机场，终于见到了刚飞行归来的许婉云，并以感谢上次许婉云的帮助为名送上了一束鲜花，这让许婉云对她产生了初步好感。许子风随即到达香港，在察看了周围环境和听取了蓝美琴的意见之后，不顾骆战的反对，立即否决了已准备完毕的见面地点，重新选定了一个处于闹市中心的写字间。骆战在对许子风和蓝美琴"一个鼻孔出气"感到挺不舒服的同时，也感到了自己这样一个反间谍战线"新手"的压力。在金钱和美色的诱惑下，郑克信已经被周为民和庞艳成功控制住了。在经过了周密程序之后，许子风终于开始和但戈然见面了。在接连三天的接触中，双方相互试探，经历了一场斗智斗勇的较量，但戈然终于表明了欲回大陆的动机；同时证实我动力研究所内部的确有一个长期潜伏的特务，不过由于这是由台湾情报机关高层直接操控的，因此他并不知道这个特务的真实身份。许子风要求但戈然回台湾尽快了解有关潜伏特务的情况，然后通过朱学峰与自己单独联系。陆一夫开始频频接近许婉云，甚至暗示为了许婉云，他愿意留在国内工作了。
许子风和蓝美琴、骆战、朱学峰对但戈然的出现的时机以及所提供的情报进行了详细分析，一致认为，起码在目前情况下，但戈然这条线索还是非常值得重视的。蓝美琴其实挺喜欢精明干练的骆战，不过又时时寻找机会拿骆战开玩笑，这让骆战有些难以适应。在他得知许子风与蓝美琴牺牲的父母是战友，而蓝美琴是有许子风、李景抚养成人的背景后，更从心理上感到了自己与他们两人之间的距离。任务结束后许子风心里似乎很轻松，他带着骆战到街上，去为朱学峰在北京的女儿选了一个洋娃娃。这倒让骆战感触良深。这时，在马知远和范仕成的精心安排下，华裔专家已经在北京动力研究所开展工作了。许子风回到总部，连夜向崔志国汇报了香港的情况。崔志国指出，为保障专家本人和"512项目"的安全，间谍案的侦破必须尽快取得突破。骆战提出应对研究所重点可疑人员立即进行监控，崔志国认为时机尚未成熟。周为民和庞艳此时已经接到明确指令：春节期间选择北京繁华地段实施爆炸。已经无力脱身的郑克信被要求制造一个定时爆炸装置。回到北京的骆战再次见到王晓京的时候，那种两情相悦的关系已经明确无疑了。
"专家协调小组"的工作很顺利，这让范仕成既有心情为骆战热心提供档案的查阅方向，还能为出嫁的女儿举行了一个像模像样的婚礼，甚至也邀请了许子风和骆战。蓝美琴绕道巴黎回北京，她的突然出现让从小一起长大的许婉云非常兴奋。蓝美琴回到许子风的家中，才得知李景已经离开这个家了，这让蓝美琴既无法理解又有些伤感。在她的心里，这里就是自己的家，她不能接受这个家庭的分裂状况。在她的安排下，许子风、许婉云和李景按时出现在了同一个饭店里，但李景一见此情景，便断然离去了。骆战在通过对大量档案的阅读梳理，将间谍嫌疑范围进一步缩小了：马知远、范仕成还有李景。许子风对他的工作表示满意，不过对讲李景划入怀疑对象却一笑置之。他的态度令骆战颇为恼火。就在此时，朱学峰从香港传来了但戈然要求再次见面的消息。崔志国决定派许子风和骆战再次前往。但是，他们在见面地点罗湖口岸后却发现被人盯梢，这令许子风深感疑惑。于是他转而进入香港，甩掉了盯梢者。蓝美琴再次和李景见面，十分震惊的得知，李景离开许子风的原因之一，竟是因为许子风曾一度被怀疑是当年出卖自己父母的告密者，这给李景留下了挥之不去的心理阴影。
许婉云与陆一夫的亲密关系已经形成，因爱而激动的许婉云向蓝美琴透露了实情。但戈然这次在罗湖，向许子风提供了两条寻找那个潜伏特务的重要线索：一是华裔专家行程的情报，是夏天由南斯拉夫发出的；二是该情报密码使用了法文。在返回北京的火车上，许子风和骆战共同研究这两条线索，他们吃惊地发现，唯一同时符合这两条的竟是总工程师马知远。在总部，崔志国听取汇报后指示，一方面设法通过其它渠道证实但戈然情报的可信度，另一方面立即对马知远实施监控。事情的进展并不顺利，对马知远的监控没有发现任何可疑之处；毛阳之类也毫无动静。许子风对但戈然提供的情报又总有一种难以名状的异样感觉。就在此时，但戈然却又再次通过香港提供了一份情报，指向了正在北京准备破坏活动的周为民。骆战和蓝美琴奉命立即逮捕了周为民和郑克信，但对其审问的结果表明，他们与我们内部的间谍毫无关联，不过是两个无足轻重的小特务。不过有一点倒是令蓝美琴和骆战感到疑惑：周为民他们虽然忙于爆炸的准备工作，但他们竟然还没有拿到将要使用的炸药。
崔志国召集许子风等人就侦破工作的现状进行分析。许子风认为，最近周为民等人的被抓获，并不在于制止了一起爆炸事件，而在于进一步印证了但戈然情报的可信程度。蓝美琴显然对此另有看法。已经在机场当上维修技工的陆一夫与许婉云已经公开恋爱了。在陆一夫的要求下，许婉云回家要求许子风与陆一夫见见面。由于工作没有突破性进展，许子风似乎无心顾及女儿的事情，加上陆一夫的华侨背景，他甚至表现出了几分冷漠。总感觉哪里出了问题的许子风，终于在和蓝美琴、骆战交谈中理清了思路，他从但戈然提供的情报过于逻辑化中发现了破绽。由此，他们对但戈然投诚的真实性再次提出了疑问。于是，他们开始制定相应对策，力图扭转目前的被动局面。在王晓京看来，骆战的工作实在诡秘，他们见面的时候也不多。这天当骆战来到人民餐厅与王晓京约会时，竟然意外发现许子风、蓝美琴、许婉云和一个华侨模样的男人在一起，这让骆战心生疑惑。他随即向局里进行汇报，秦全安认为对自己的战友是不容怀疑的，但是为安全起见，可以去机场暗中了解一下儿陆一夫的情况。在机场，陆一夫几次欲与民航的工作人员郭林接触，但都被许婉云无意中阻碍了。
