1950年国庆前一个多月，我潜入国民党情报机关的特工“中华一号”仲华搜集到了敌方针对我国庆活动而精心策划的一个绝密情报——《天字一号》计划，随即通过我驻扎在香港的特工009将其发报传送回北京（北平）的201情报处，不料被敌方安插在201的卧底“蝎子”得知，马上密报台湾总部，009暴露，仲华也被国民党情报机关的头目陶然怀疑。此事件随即引发敌我双方上层的高度重视，一场彼此抓“内鬼”的无影战役拉开了帷幕。陶然紧急部署，亲自前往香港指挥捉拿仲华和009；我方决策者袁方立即排遣情报处董晨耕处长和杨震科长赶往香港。仲华和009的性命危在旦夕！

仲华坚难地躲过了敌人的抓捕，马上意识到自己可能暴露了，但为了获取“天字一号”计划的行动细节，他准备不顾生死再回狼窝与敌周旋。面对仲华的返回和挟持，陶然的内心里已经设计好了一个烟雾计划——将计就计，假作未识破仲华以进一步迷惑我方上层决策者。他处决了仲华抓来的替死鬼——香港情报站站长徐展，然后当机立断，排遣仲华潜回北平（北京）督办“天字一号”计划实施，同时命令潜伏在北平的特务组织“蛇蝎小组”周密布置，为仲华设下了一个又一个圈套。

敌特的活动虽然频繁起来，但结果却显得很诡异——代号“蜜蜂”的女特务程蔚蔚刚刚有所动作就被杀，而201内部的情报科科员刘保亮突然露出许多可疑的迹象——他是内鬼吗？女科员白玫对这个搭档产生了怀疑。与此同时，仲华正在摆脱陶然排遣跟踪其的“尾巴”，变换着行动路线赶往北平。而远在台湾遥控指挥的陶然得意洋洋，一面给自己的部下简一娜洗脑，一面等候自己精心设计的好戏开演。

我方通过追踪程蔚蔚使用的信鸽，发现了另一个敌特的窝点，并锁定了福寿绸缎庄的主人杜玉。就在即将抓捕杜玉的时刻，因为刘保亮的一个失误，又被敌人抢先将杜玉灭口——刘保亮的疑点越来越多了。袁方面对老对手陶然的意外出招，隐约感觉到了表象后面深藏的危机，但眼下迷雾重重，一方面要抓出内鬼，一方面又不知仲华生死——敌人的动机和目的究竟是什么？潜伏在北平的敌特电台与台湾联络频繁，一些隐藏的敌特也开始蠢蠢欲动，大有山雨欲来风满楼的趋势。恰在此时，另一部代号“银龙”的神秘敌台出现了。袁方深感敌情空前严峻，责任重大，如何应招，是摆在他面前的当务之急！

潜伏在北平的敌特“眼镜蛇”刘亦菲和“泥鳅”南勃万等人在“银龙”和“蝎子”的指挥下已经为仲华布下了陷阱。仲华一到北平，随即被全天候监视，一举一动都难逃敌人的眼目，他为无法与组织及时取得联系而焦虑万分，只好动用紧急联络方式。蛇蝎小组传令仲华到宝光寺接头，等待他的却是一场伏击。仲华与敌恶战后脱身，消息报回台湾，陶然暗自得意，随即发布新的指令，让仲华入住悦来客栈等候再次接头。陶然自信自己将计就计的计划天衣无缝，只等最终胜利的那一天到来。

董晨耕及时发现了仲华的联络信息，准备与仲华见面了解敌情。而我方内部对刘保亮的怀疑已经越来越深了。董晨耕的行动不得不在袁方的指挥下暗中进行着。亦菲的帮手夏天死死跟踪而不得不放弃了。仲华路遇妻子岳雨辰（201情报处情报科副科长），两人虽然装作陌路人，但亲人相见不能相识的痛苦深埋在彼此心中。为了扰乱陶然的计划，仲华故意不与刘亦菲按正常程序接头，刘亦菲十分恼怒，但她不知这些都在陶然的掌握之中。

被我方监控的另一名女特务周丽又被莫名其妙地暗杀了，行动再次出现失误，201内部通报了处分决定。袁方命令董晨耕在暗查内鬼的同时一定要稳定军心。他俩商定了一个妙计，准备主动出击，与仲华迅速取得联系。董晨耕安排“暗娼”于茹进入了被敌特严密监视的仲华住处，以例行检查为由，将有“嫖娼卖淫”嫌疑的仲华和于茹秘密抓捕。蛇蝎小组没料到这是我方一计，第一次落了后手棋。

董晨耕秘密“审讯”老战友加兄弟仲华，这才了解到“天字一号”计划的战略意义，同时推断陶然已经基本识破仲华的卧底身份，董晨耕命令仲华返回我方阵营，被仲华说服。两人随即设计了新的计谋，准备来个“反将计就计”，“帮助”陶然把骗局做下去，让内鬼“蝎子”陷入被动中，同时掩护仲华顺利接近“天字一号”计划的真相。仲华在201被审讯后按正常程序放走了。201内部对此有不同意见，白玫为处分而十分痛苦，请求调离，而刘保亮则陷入了情网之中，与女演员郑冶芳（敌特，代号“花蝴蝶”）卿卿我我。杨震和岳雨辰对此现状十分头疼。

经群众举报，袁方通过一张儿童的图画作业捕捉到了一个重要情报，随即，种种迹象表明，这张画出自小学生叶小宝，而他的班主任许秀娟（杨震的爱人）也被纳入了怀疑的对象中。然而叶小宝死在了教堂里！随即，围绕叶小宝之死，另外几个嫌疑人唐叶萍、齐富等人也浮出了水面。进入了瓷器店的仲华发现阴阳怪气的夏天和行动诡秘的翠花十分可疑，他深知自己随时都有可能丢掉性命。

董晨耕和杨震不约而同夜探教堂，发现了敌特发报的秘密地下室，但人去屋空，敌特已经转移。仲华所有的行动都被夏天死死地盯住，仲华故意对刘亦菲发火，试图逼迫“蝎子”和“银龙”现身，但刘亦菲和夏天都表示自己不是。在陶然的命令下，仲华了解到“天字一号”的第一次行动可能是暗杀，但细节仍旧不知。他对夏天的跟踪表示不满，有意激发矛盾，险些要处理夏天，被刘亦菲拦下。此时的刘亦菲已经对仲华产生了好感，仲华准备利用这个机会。

嫌疑人齐富又在教堂被吓晕死过去，而发现齐富出事的恰恰又是许秀娟！教堂这个地点再次引起201的关注，董晨耕在此安排轮流蹲守。杨震因妻子的种种疑点而十分苦恼，经激烈思想斗争，他向董晨耕汇报了自己对妻子的怀疑。董晨耕让他暗中观察。杨震与岳雨辰偶遇仲华和刘亦菲，随即到瓷器店检查仲华的临时居住手续，刘亦菲等人对杨震的犀利观察十分恼火。“天字一号”第一次行动的细节终于被仲华得知了——暗杀夜间在教堂蹲守的杨震和岳雨辰。仲华苦于无法将此情报传送给董晨耕，而夏天却依旧不为仲华的威胁所动，一步不落地监视着他。

为了保护战友的安全，仲华准备冒险出击了！远在台湾的陶然仍旧在继续为简一娜洗脑，看到自己的高徒之一已经逐渐理解了这次行动的真正布局，陶然暗喜。袁方收到了一个代号“红帆”的老妪送来的情报，得知敌特准备当晚实施暗杀行动。袁方和董晨耕分析敌情，决定冒险应对。

仲华和夏天在刘亦菲、郑冶芳的掩护下，对教堂踩点，两人你争我抢，最终决定用刀实施暗杀行动董晨耕为保护岳雨辰，设计临时替换了她，与杨震前往教堂。在此之前，又想灌醉杨震以便自己去面对敌人的暗杀行动，但杨震不但未醉，反而把自己放在了教堂了楼下，董晨耕内心十分焦虑！

仲华和夏天潜入了教堂附近准备实施暗杀，在行动前，仲华突然击晕夏天，只身潜入教堂，与杨震搏击中刺伤了对方，杨震开枪，仲华逃脱。刘亦菲在此行动中对仲华更产生了好感，而夏天却似乎看出了仲华的某些破绽。夏天对仲华把他击晕的行为大为不满，两人发生激烈冲突，而刘亦菲却通过此事减轻了对仲华的防范，并命令夏天不要再跟踪仲华，夏天越发不满。而仲华自己还在为被刺伤的同志担心着。身负重伤的杨震被送进军医院抢救，许秀娟心急如焚。董晨耕与岳雨辰分析许秀娟的行为，也感觉她的疑点很多。

仲华找机会打电话与董晨耕取得了联系，得知被刺伤的同志没有生命危险，这才放了心。董晨耕让他抓紧时间搞到“天字一号”计划的行动细节。夏天单独对刘亦菲说出了自己对仲华的怀疑——他感觉仲华暗杀杨震的时候手下留情了。刘亦菲不以为然，反讽夏天，夏天憋了一肚子气。刘亦菲暗暗地爱上了仲华，并向其透露了自己想在完成任务后洗手不再继续做杀手。一个突发事件再次发生：叶小宝的母亲唐叶萍被杀！而第一个发现的又是许秀娟！

唐叶萍的死把与叶小宝有关的人再次锁定在201的审查范围内，同时对许秀娟的行为动机进行了细致的调查。住院的杨震向董晨耕说明了一个重要的情况——他前夜曾带伤去暗访过唐叶萍，得知叶小宝的亲生母亲其实是许秀娟！董晨耕决定抓捕许秀娟，而随即而来的结果又令人吃惊——许秀娟失踪了！岳雨辰夜间找齐富调查，却意外地发现齐富被绑在了教堂内，随即又抓住了叶小宝的远房舅舅方洪亮。审讯后得知，这个方洪亮是许秀娟的前夫！种种迹象表明，方洪亮不是与“天字一号”有关的敌特，目标又失去的方向.陶然命令的敌特去军医院暗杀杨震未果，却刺伤了董晨耕的妻子王杰医生。事情变得越来越复杂！

许秀娟的尸体被渔夫发现了，瓷器店内也出现了新的情况：刘亦菲的表妹要被送给西山的流窜土匪头目冯庆奎做压寨夫人。翠花乞求仲华帮她，仲华却认为这里面有问题！刘亦菲接到指令，让仲华与冯庆奎比武。仲华不屑，但翠花苦苦乞求，仲华愈发对此事产生怀疑，他一直怀疑翠花和夏天与“蝎子”、“银龙”有关，所以他本能地感觉这件事是敌人为他埋设的圈套。

陶然感觉“蝎子”的行为已经有些扰乱自己的计划，准备排遣简一娜出山。董晨耕指示杨震与白玫提审方洪亮。随后，方洪亮在越狱逃跑的时候被意外赶到的杨震当场击毙。201进一步调查是谁放走了方洪亮，目标指向了白玫。许秀娟的尸检报告出来后发现了新的疑点，董晨耕让岳雨辰暂时不要告诉杨震，岳雨辰对此有些懵懂，她还不清楚董晨耕为何会怀疑杨震。许秀娟其实没死，而是被一个蒙面的敌特挟持到了暗洞内，许秀娟痛斥敌特。

仲华为了歼灭流窜的土匪，终于答应与土匪头目冯庆奎的比武并获胜，冯庆奎拜仲华为师。仲华这才得知了“天字一号”的第二次行动计划是要暗杀我三号领导的车队。刘亦菲烧香算命后很高兴，告知了仲华自己的心声，仲华利用其心态，掏出了暗杀行动的细节。仲华急于将此情报向董晨耕汇报，不料又被夏天死死盯住，仲华产生了除掉这个尾巴的念头。

仲华和刘亦菲与冯庆奎等参加行动的人汇合后，仲华一直在拖延时间，准备在万不得已的时候炸毁敌人的炸药。就在仲华一筹莫展之即，解放军突然包围了他们。原来此次“首长经过此地”这是袁方故意放的烟雾弹，目的正是要查证究竟是谁把内部的情况透露出去的。仲华为了找出“天字一号”计划的真相，带着刘亦菲逃离的现场，刘亦菲从此死心塌地地爱上了他。“蝎子”因行动失败而对仲华产生怀疑，电告陶然准备清理，但陶然非但不听，还指示“银龙”处理杨震。

白玫的一些可疑迹象引起了刘保亮的注意，尤其是当杨震和岳雨辰偶然发现白玫跟南勃万有过单独接触后，更对其产生了怀疑。董晨耕当机立断，正面接触白玫。白玫吞吞吐吐，无法自圆其说，自己也很痛苦。当晚，风雨交加，白玫的宿舍出现了一个鬼影，他悄悄地在白玫的水杯中下了毒！次日，大家发现了自杀的白玫。绝大多数人都不知道，其实这是袁方和董晨耕设下的计，目的就是要看清到底是谁下毒要害死白玫。

陶然因“蝎子”的行动出现问题，紧急排遣简一娜以协助仲华督办“天字一号”计划的身份奔赴了北平。简一娜的突然出现，不但使得仲华更加确定自己确实已被陶然怀疑，而且让深爱上仲华的刘亦菲对她产生了强烈的敌意。面对刘亦菲咄咄逼人的态度，简一娜采取了避让的姿态，暗示刘亦菲自己已经放弃了对仲华的情感，但刘亦菲更不相信了。刘亦菲为可能出现的危险做了准备，把翠花托付给夏天，不料夏天坚决不愿撤出执行“天字一号”行动。

翠花认出了杨震正是当年杀害自己家人的凶手，急于报仇，刘亦菲为“天字一号”计划不得不将她软禁简一娜传达了陶然的指示，准备实施天字一号分集剧情介绍第三次行动。仲华路遇岳雨辰，向她报警，却被跟踪岳雨辰的杨震发现。杨震夜进岳雨辰家，发现了她珍藏的与仲华的合影照片，随即拍照转到了简一娜的手里。岳雨辰家被盗的事件，使得201的人震惊了！袁方命令董晨耕紧急召回仲华，但时间已经来不及了。

看到仲华和岳雨辰合影照片的简一娜并没撕破脸，继续按陶然的计划蒙蔽仲华。仲华虽然有惊无险，但他知道自己的机会已经不多了。他请求继续与敌周旋，试图尽最大的努力得到“天字一号”计划最终行动的细节，董晨耕为他捏了一把汗，而岳雨辰更将心提到了嗓子眼。

“蝎子”杨震给瓷器店送来的情报，简一娜决定在长安大戏院实施爆炸，企图暗杀我中央首长。仲华虽然得知了这是天字一号分集剧情介绍第三次行动，但还是不知道细节，只能从敌特准备炸药上判断。在最后一刻，仲华才得以脱身向董晨耕报警。被杨震囚禁在暗洞内的许秀娟宁死不交出杨震的密码本，杨震恼羞成怒，准备干掉许秀娟。

在杨震的掩护下，郑冶芳带着炸药躲过了未婚夫刘保亮的检查，将炸弹安放在了大戏院里。岳雨辰接到董晨耕的紧急电话，带着刘保亮搜查，刘保亮为了保护首长和人民的安全，抱着炸药包跑出了大戏院，光荣牺牲了！彻底暴露的杨震气急败坏，发誓一定要把内鬼抓出来！不得不来到瓷器店的杨震终于以“蝎子”的身份与大家见面了，他毫不隐瞒自己对仲华的怀疑，情况万分危急！

代号“红帆”的神秘人又向袁方发出了情报，提供了杨震囚禁许秀娟的暗洞地图。许秀娟被救出来了，董晨耕却发现了有不对头的敌方！杨震狗急跳墙，带着郑冶芳绑架了岳雨辰，逼迫仲华杀掉岳雨辰以证明他自己的清白。仲华面临着巨大的考验！岳雨辰为保护丈夫仲华，恳求仲华向她开枪！仲华开枪了，岳雨辰倒下了。

此时已到了国庆节的前一天，简一娜终于抛出了“天字一号”的终极行动细节，爆炸前使馆。仲华及时报警，解放军出动，围剿了包括简一娜在内的绝大多数敌特。在混乱中，刘亦菲与杨震火拼，刘死在了仲华的怀里，而杨震则身负重伤。仲华顾不上受了重伤的妻子岳雨辰，连夜突审杨震，继续追踪不见的夏天，而201也发现许秀娟从医院消失了！同时，仲华发现敌特的武器库内少了一门60迫击炮，推断“天字一号”的终极行动是炮轰天安门城楼！在最后的关头，仲华与坚守在敌营多年的“红帆”夏天联手击毙了正准备炮轰天安门的“银龙”许秀娟！彻底粉碎了陶然精心设计的“天字一号”计划！