一阵刺耳的电话铃声将林云飞从睡梦中惊醒，电话中传出副科长董智超急促的声音：“八所秦工程师在火车站丢失了装有重要科研项目的机密文件包，此事引起上层的高度重视，你速赶到铁路公安局。”林云飞与侦察员曹阳驱车赶到铁路公安局时，董智超告诉林云飞，公安已经破案了，是一起普通的盗窃案，让林云飞与公安做好收尾工作。林云飞在观看对小偷的审问录像时，发现了破绽，并迅速报告了处长洪子城。有着丰富侦破经验的洪处长敏锐意识到这很可能是一件间谍案，决定接手此案，并迅速采取了措施。在对八所的有关人员进行甄别排查时，发现张铨有重大嫌疑，就在将要对其进行询问时，张铨突然被杀。在对现场进行勘查和对目击证人询问后，拘留了三个可能杀害张铨的嫌疑人，并对其进行了审问，但三人的表现都似乎符合逻辑，也没有杀害张铨的理由。此时上级通报，失窃情报可能在48 小时内通过卫星自动发射。时间一分一秒地过去，案件毫无进展。林云飞提出了一个大胆的想法...
就在失窃情报即将自动发射的关键时刻，林云飞运用特殊的侦察手段，使代号“无面人”的境外间谍分子不得不低头认罪，外线侦察员也成功地截获了失窃情报。正当大家庆贺胜利时，传来一个意想不到的消息：本市的另一个国家航天重点科研机构——动力所的重要科研计划已经被泄露到了境外……
在案情分析会上，关厅长带来了年轻的女侦察员石慧，并宣布她为侦察科新科长，具体负责专案组的侦破工作。这让两个铆着劲的副科长林云飞和董智超很不解。为了便于侦破此案，处里决定派林云飞以动力所办公室副主任的身份进入动力所，进行跟踪侦察。林云飞利用办公室副主任的身份对全所的重要部门、重点部位以及重要人员进行了细致的检查，没有发现任何可疑情况。此时石慧提出对全所进行一次全面的安全检查，不想发现火箭燃料K1样品少了，而且毫无线索。林云飞非常自责在自己眼皮底下K1样品丢失，回想在动力所的每个细节，一个重要人物也出现在自己的眼前，林云飞提出了一个让人不敢想象的大胆设想——可能是动力所工程师袁知方监守自盗。经过严密的侦察、分析，证实了林云飞的想法，袁知方为了儿子，不得不违心地做出了危害国家的行为，其背后一个代号为“戴安娜”的境外间谍小组浮出水面。专案组果断出击，抓获了间谍嫌疑人，并在机场截获了K1样品。在对样品进行检验时，发现K1样品少了一半……
“戴安娜”背后一定还有更危险的人物，这个人是谁成了破案的关键。随着侦察的进一步深入，一个神秘女人出现在侦察员的视线内。此人就是与林云飞有过交往的TTC公司董事长金梦。据查金梦在国外加入了A国间谍组织，利用我国改革开放之机，在本市成立了TTC公司，其目的就是窃取我国的高科技情报，这个TTC公司很可能就是境外间谍组织设立的重要场所。而金梦对林云飞有“副省长”亲戚的特殊背景很感兴趣，正力请林云飞到TTC公司工作。针对这一情况，石慧建议派林打入TTC公司，近敌侦察。
境外间谍组织指示金梦对林云飞进行了严密的考察，甚至采用进行刺杀石慧来考验林云飞。在石慧等侦察员的密切配合下，林云飞逐个化解了一次又一次的危机，也逐渐取得了金梦对自己的信任，只是负责组织安全的王跃龙对林云飞仍不放心。正当林云飞在 TTC公司逐渐顺利展开工作时，动力所的火箭燃料样品K2配方又被窃取了……
种种迹象表明，在八所和动力所发生的一系列案件，只是境外间谍组织此次行动的序曲，更大的阴谋正悄悄地展开。根据多种渠道得到的境外间谍组织的活动情况证实，以及对目前案情的分析，境外组织正进行旨在窃取我国航天高科技情报，破坏我国航天计划的 “终极目标”行动。林云飞利用金梦对其的信任，逐步掌握了TTC公司基本情况，并成功地进入了TTC公司的C区，证实此处是敌人重要的实验基地，正在分析 K1样品的合成成分，待分析成功后，准备与K2样品配方一起送往境外。而金梦也想利用林云飞的特殊身份帮其运输，在得到其上级“国王”的批准后，企图利用对林云飞的“感情”拉林云飞下水。林云飞将计就计，答应了金梦的要求，并通过了金梦等人的进一步的各种考察，成功地打入间谍组织。与此同时，董智超也通过电脑网络发现“国王”利用电脑疯子，企图通过网络攻击我火箭研究和发射程序。
侦破工作正按我方缜密计划顺利进行着，不料，金梦突然接到“国王”的指令：林云飞是国安侦察员，在适当时机干掉他。为了林云飞的安全，洪处长紧急召回了林云飞，并准备紧急改变计划。林云飞冷静地分析了情况，并说服洪处长利用敌还未对其采取措施的机会，回到TTC公司，里应外合将敌人一网打尽。临行前，董智超为林云飞带上了定位跟踪器。
夜深人静之时林云飞突然接到金梦电话，“国王”要召见他。当林云飞跟随金梦来到地下车库时，等待他的却是王跃龙与何强。四人换车来到一个旧汽车修理厂，何强给林云飞强行戴上了手表。林云飞立刻意识到自己完全失去了自由，趁何强推搡之机，巧妙地为战友留下了信号。与此同时，侦察员曹阳与孟歌跟踪到汽车修理厂，信号却突然消失了。原来何强给林云飞带上的是一个强力干扰器。石慧接到报告后决定立即采取行动，在防暴警察配合下包围了汽车修理厂，并进行了仔细搜查，结果只发现了被丢弃的汽车……
海边，雾气蒙蒙，金梦露出了狰狞的面孔，王跃龙与何强用枪抵住了林云飞的额头。金梦逼问林云飞为什么欺骗自己的感情，林云飞大义凛然地告诉金梦，当她背叛祖国的那一天开始，她就没资格谈论感情，金梦气急败坏地命令何强引爆装在林云飞身上的微型炸弹……
