故事开篇，焦允俊在苏州出差期间突接紧急召回命令，限时返回上海。刚出火车站，他就和上海的特务发生了冲突。焦允俊来到会议室，得知一项关乎国家重要工程的绝密图纸被敌方窃取。领导介绍了任务背景，并安排他与新专案组成员：郝真儒、张宝贤、孙慎言等及借调的新华社工作人员李文远会面。

  专案组面临紧迫任务，需尽快找回图纸。在一次紧急会议上，焦允俊与郝真儒就行动方案发生激烈争论，最终决定分头行动。与此同时，街边混混刘小狗、许金根、张有宝在偷窃一名中年人的皮包时，意外获得了装有大量钞票和一本神秘本子的物品。他们私分了钞票，却将看不懂的本子丢弃。

偷窃的皮包被阿四头所得，并转卖给旧货商店。不久，敌特分子发现此皮包，开始追踪阿四头。阿四头在街头偶遇洋美女“玛丽阿姨”，被其邀请至茶楼，引起朋友们的嫉妒与争执。安全员介入并发现异常，察觉到这很有可能是一起间谍窃取军事机密的案件，连忙上报给了上级。

焦允俊带领专案组调查阿四头，得知皮包来历及“玛丽阿姨”的线索。阿四头画出了本子里图纸的大概轮廓，专案组推测该笔记本里面是敌方窃取的潜艇军舰制造情报。敌特分子也开始追踪阿四头，与专案组多次交锋。

  专案组通过阿四头找到刘小狗等人，李文远秘密跟踪并威胁他们配合调查。为了引出敌特分子，焦允俊决定放走刘小狗。然而，刘小狗却在特务人员的接应下逃脱。

  专案组内部因多次失败而矛盾加剧，焦允俊与郝真儒在策略上产生分歧。焦允俊在逆境中重新镇定思索，根据接应刘小狗的那辆宝蓝色摩托车为线索不断顺藤摸瓜，最后查到关易笙是重要人物。但是却没想到，特务分子提前下手，毒害了关易笙，专案组的线索再次被打乱。

  焦允俊率领专案组设法找到了正在和孤狼前去寻找笔记本的刘小狗，在追逐过程中刘小狗不慎跌倒受伤，被送往医院。专案组在刘小狗那里没有得到任何有效信息，案件进展再次停滞，焦允俊和郝真儒为此发生激烈冲突，谁不想就在这个时候，刘小狗竟然逃脱了。

  专案组在刘小狗逃脱之后，再次设法找到了刘小狗被关押的位置，就在大部队赶来之前，专案组沙懋麟被残忍杀害。而刘小狗知道敌特分子的身份之后，假意配合保全性命，同时为专案组留下线索。

  专案组根据刘小狗的线索，来到了一处废弃学校，遇到了正在寻找笔记本的刘小狗和敌特分子。专案组与敌特分子在废旧学校内展开决战，焦允俊和张宝贤率先突入，抓获孤狼。刘小狗在房梁上找到秘密图纸，专案组成功夺回国家重要情报。

  在调查图纸流出原因的过程中，焦允俊率人前往船厂调查，专案组成员调查发现，王清水在船厂内的行为非常可疑。焦允俊请工程指挥部保卫科安排专人看守王清水，但在看守过程中，王清水从窗户逃跑。焦允俊立刻组织全厂封锁，发动全厂员工搜寻王清水，最终在厂区角落发现了他的踪迹，但为时已晚，王清水已自杀身亡。法医确认，王清水的确是自杀，焦允俊感到深深的遗憾和不甘。

  另一方面，郝真儒带领专案组其他成员通过线索发现了一个关键人物魏康思，但魏康思早已失踪。

专案组梳理思路之后，决定重新回船厂调查，通过缜密的梳理，终于找到了绘制图纸的嫌疑人黄纯合，在审问过程中，黄纯合刚开始拒不认罪，但是发现物证之后只能认罪，丙供出了事魏康思让他这么做的，线索再次中断。

  此时，焦允俊提出改侦为防的思路，决定严密防控各个渠道，一有动静，立刻行动。

  焦允俊和郝真儒决定拜访苏联专家组，在过程中发现了一些可疑的线索。通过与苏联专家的交谈，焦允俊得知苏联专家组中有一名翻译马念姝的父亲是餐厅老板娘尤丽娅的老朋友，这引起了焦允俊的高度警觉。

  专案组决定放长线钓大鱼，利用马念姝和尤丽娅的关系，将上海的情报组织连根拔起。马念姝假装迎合尤丽娅，尤丽娅见目的达到，将宋斯义介绍给马念姝。宋斯义准备按计划对马念姝进行行动，企图用自己的魅力来吸引她。

  专案组人员带着阿四头出现在餐厅，阿四头指认尤丽娅就是“玛丽阿姨”。专案组迅速控制了尤丽娅和宋斯义，面对两人的抵抗和死不承认，专案组在餐厅尤丽娅的房间内找到了绘制有秘密图纸的笔记本和潜伏在上海的特务人员名单，当晚专案组展开清剿行动，将潜伏在上海的特务连根拔起。