一九三九年冬，陕甘宁边区铜川检查站。国民党国防部高级军官代表团，来延安考察访问。受到八路军总部的热情接待。同时，在检查站等了两天的边保侦查科侦查员秦书燕和马大爷，还是没有等到新来上任的侦查科科长鲁平。延安附近的延川县，侦查科副科长岳凌霄带领侦查员们，乔装打扮，与隐藏在延川县的军统特务郑飞接头。并展开了围捕，将两名军统特务逮捕，押解前往延安。 侦察科长鲁平其实早已进入了陕甘宁边区，并且直接进入了延安城，并在延安城集市上买自行车的时候顺带抓了一名偷自己自行车的小偷。 延安，后沟。陕甘宁边区保安处三科（侦察科）的窑洞院内，鲁平带着抓住的小偷进来报到，鲁平的神秘，引起了侦查员们的好奇与猜测。 鲁平刚刚走马上任，国民党军官代表团的主任黄树藩就急匆匆赶来报案，军事代表团的军官郭德林中校，在延安意外地失踪了。鲁平感觉事情蹊跷，立即命令侦查员们开始在延安范围内寻找郭中校。 在边区保安处，马部长见到了前来报到的鲁平，并且告诉了鲁平把他从国统区调回来的真正目的。保安处得到线索，军统特务组织派出了以王牌间谍“佛爷”为领导的汉江特训班特务网络，在陕甘宁边区活动。针对的是马上就要召开的第一届边区参议会。马部长要求鲁平一定要尽快地将特务网络一网打尽。 放羊的老乡来报案，在河岔边上的树林里，发现了一具尸体。鲁平带人连忙赶过去勘察，发现尸体居然就是国民党军官郭德林。黄树藩听说郭德林的尸体被找到，大闹侦查科，不依不饶地要求限期破案。郭德林神秘被杀的案件，成为了鲁平上任之后的第一次考验。
郭中校的死因扑朔迷离，鲁平静下心来开始寻找蛛丝马迹，在勘察现场的树枝上的一根黄色毛线，引起了鲁平的注意，他要侦查员们出去，在延安范围内寻找穿黄色毛衣的女人。 鲁迅艺术学院的教师来报案，几名投奔延安的学生，半路上被一个自称是抗大招生办的何教官给带走了，到现在这些学生踪迹全无。鲁平怀疑这个何教官有问题，派秦书燕到抗大去调查，发现抗大根本就没有一个姓何的招生办教官。鲁平立即命令岳凌霄带着刘猛与何亮亮赶赴铜川，调查这件蹊跷的案件。 鲁平的未婚妻关梅得知了鲁平的到来，跑到侦查科来看望鲁平，这对在国统区就建立了感情的秘密夫妻，终于在延安团聚了。关梅还给鲁平带来了自己亲手织的一条红色围巾。 岳凌霄带着两名侦查员在铜川检查站蹲守了两天，还是没有发现那个所谓的何教官。岳凌霄命令两名侦查员打扮成进步学生的样子，从铜川检查站入境，开始“钓鱼”。调查穿黄色毛衣的女人毫无结果，侦查员们跑遍了延安市，还是没有找到那个穿黄毛衣的女人。马大爷的一句话点醒了鲁平，那毛线颜色鲜艳，非常贵重少见，如果要是织围巾还有可能。鲁平连夜找到关梅，得到了那条红色围巾的毛线的线索，是从一个商人那里买来的。鲁平又连夜带韩武找到那个商人，有了重大突破——这跟毛线的确是从他那里卖出来的，买毛线的女人是后方医院的一名护士，叫谢英文。鲁平立即把谢英文带到侦查科进行审讯。
谢英文在侦查科交代，她是郭德林中校的女朋友。原来在武汉认识的。后来两个人分道扬镳，谢英文为了到延安投身革命，就离开了郭德林。郭德林到延安来找她，是为了重修旧好，把她带走。她拒绝了郭德林。证词看来无懈可击，侦查员们不知道该如何继续侦破案件。 岳凌霄的“钓鱼”计划有了进展。刘猛与何亮亮化装成进步青年，朝着延安的方向行进，在快到延安的时候，那个神秘的何教官出现了。他告诉两个侦查员，自己是抗大招生办的招生教官。要带着他们去抗大报到。两名侦查员立即跟着何教官而去，岳凌霄尾随他们到了延安附近的李家村。住进了窑洞。 正在郭德林的案件陷入维谷的时候，秦书燕从郭德林的皮箱里，找到了郭德林家人的一张合影，鲁平从合影上判断，谢英文应该在说谎，她不是郭德林的女朋友，而应该就是郭德林的亲妹妹。他立即意识到谢英文有危险，准备派韩武前去保护，但是晚了一步，谢英文被杀害在了自己的宿舍里。 军官代表团的行程就要结束了，黄树藩给侦查科施加压力，要求一天之内必须破案。鲁平顶着压力保证，一定在二十小时之内破案。 何教官带着两名侦查员启程，在荒郊野外的时候，何教官掏出了手枪。千钧一发之际，岳凌霄开枪，打伤了何教官，并立即展开了审讯。原来这是军统的另外一伙特务，专门阻止进步青年投奔延安。 在看守所里，鲁平审讯特务郑飞有了重大突破，那个郭德林的真实身份，居然是军统局防谍组的特工。鲁平明白了谜底，立即带人将谢英文的男朋友阎良抓捕归案。事情真相大白，原来，阎良是日本特高科的特工，以谢英文为保护伞隐蔽进入了延安潜伏。郭德林得知妹妹的男朋友是日本特务，到延安来想阻止妹妹与阎良交往，却被阎良杀害。 案情真相大白，大家正在庆祝的时候，鲁平得知那个郑飞在看守所里自杀了。马部长赶到看守所，告诉鲁平，他被郑飞骗了，郑飞的真实身份是汉江特训班，是佛爷的部下。鲁平顿时傻眼了。
马部长交给鲁平一个重要的线索，军统局西北站的一个秘密特工，化名赵鹏程，趁着记者代表团访问延安的机会，将要到延安来检查特务的联络工作，要鲁平务必顺着这个特务的线索，将延安的特务网络一网打尽。 鲁平立即安排侦查员对赵鹏程进行跟踪。韩武、刘猛、何亮亮轮番在赵鹏程所住的幸福旅店对面的山坡上埋伏下来，进行盯梢。 铜川县照金镇的吴寡妇跑到侦查科来报案，说自己的女儿吴月花被绑架了。鲁平感觉案情重大，派岳凌霄带着秦书燕前去照金镇，帮助吴寡妇解救吴月花。 鲁平的未婚妻关梅，带着机要局里的同事田秀玲来向鲁平借照相机，她们想趁着放假的机会出去拍照。鲁平爽快地答应了未婚妻的要求，给田秀玲留下了深刻的印象。在照金镇，按照绑匪留下的勒索信，岳凌霄安排民兵埋伏，准备一举抓住绑匪，但是他们一直等到天亮，都没有发现绑匪的踪迹。 跟踪特务赵鹏程的行动出现了意外。赵鹏程回到房间之后，一天一夜没有出过门，侦查员将情况报告鲁平，鲁平立即赶去调查，惊讶地发现赵鹏程被毒死在了房间里。赵鹏程既没有出过房间，也没有与外界接触过，如何被毒死在了房间里，案件陷入了迷雾之中。保安处领导要求鲁平立即侦破案件。 绑匪给吴寡妇送来了信，扬言如果边保的人介入案件，他们将杀掉吴月花。
顺着赵鹏程被杀的线索，鲁平带领侦查员们开始了调查。经过仔细的现场勘查，鲁平发现小旅馆用来监视赵鹏程行踪的地点背后，还有一个地点曾经有人神秘地蹲守过。并从地上捡到了一个红锡包香烟的烟蒂。 侦查员了解到，就在赵鹏程被害的那天上午，小旅馆老板秦婶的侄子秦二宝曾经到过小旅馆。鲁平叫侦查员立即去找秦二宝。刘猛与何亮亮到了秦二宝打工的杂货铺，却发现秦二宝已经跑掉了。鲁平命令加大侦查力度，一定要找到这个秦二宝。 照金镇的案情有了进展，绑匪又给吴寡妇送来了勒索信，要第二天清晨在坟地交钱。这一次岳凌霄进行了周密的部署，趁天黑带着民兵连赶到坟地埋伏了起来。 韩武终于找到了秦二宝的藏身之处。带着刘猛何亮亮把秦二宝抓捕归案。 来取钱的绑匪出现了，岳凌霄一声令下，民兵连的同志冲上去，将绑匪抓住。但是经过审问，绑匪称自己不是绑匪，而是一个小学校的教师名叫李柱石。 鲁平通过审讯秦二宝，排除了秦二宝是国民党特务的嫌疑。但是在审讯之中，鲁平在言谈话语中发现了破绽，根据小旅馆老板秦婶的说法，她的丈夫周树林，是一个有手艺的泥瓦匠，经常外出打工，现在正在榆林城做工，但是秦二宝告诉鲁平，他前天亲眼看到了周树林出现在了延安的骡马市上。鲁平将目光锁定在了秦婶的丈夫周树林的身上。
顺着赵鹏程被杀的线索，鲁平带领侦查员们开始了调查。经过仔细的现场勘查，鲁平发现小旅馆用来监视赵鹏程行踪的地点背后，还有一个地点曾经有人神秘地蹲守过。并从地上捡到了一个红锡包香烟的烟蒂。 侦查员了解到，就在赵鹏程被害的那天上午，小旅馆老板秦婶的侄子秦二宝曾经到过小旅馆。鲁平叫侦查员立即去找秦二宝。刘猛与何亮亮到了秦二宝打工的杂货铺，却发现秦二宝已经跑掉了。鲁平命令加大侦查力度，一定要找到这个秦二宝。照金镇的案情有了进展，绑匪又给吴寡妇送来了勒索信，要第二天清晨在坟地交钱。这一次岳凌霄进行了周密的部署，趁天黑带着民兵连赶到坟地埋伏了起来。韩武终于找到了秦二宝的藏身之处。带着刘猛何亮亮把秦二宝抓捕归案。 来取钱的绑匪出现了，岳凌霄一声令下，民兵连的同志冲上去，将绑匪抓住。但是经过审问，绑匪称自己不是绑匪，而是一个小学校的教师名叫李柱石。 鲁平通过审讯秦二宝，排除了秦二宝是国民党特务的嫌疑。但是在审讯之中，鲁平在言谈话语中发现了破绽，根据小旅馆老板秦婶的说法，她的丈夫周树林，是一个有手艺的泥瓦匠，经常外出打工，现在正在榆林城做工，但是秦二宝告诉鲁平，他前天亲眼看到了周树林出现在了延安的骡马市上。鲁平将目光锁定在了秦婶的丈夫周树林的身上。
鲁平安排人马监视周树林姘妇家的门口，有了收获。神仙派人给门上系上了红布条，这意味着当天清晨，周树林可以与神仙在后山上见面。 周树林带领全体侦查员，连夜带着周树林赶到后山上埋伏，准备抓住神仙。清晨，带着面具的神仙终于诡秘地出现在了周树林的面前。她询问周树林侦查科的人对他调查的情况，周树林还没有反应过来，神仙掏出手枪，将周树林打死。侦查员们跳起来，准备抓捕神仙，身手敏捷的神仙与侦查员们展开了枪战。 躲在暗处的刘猛冲上去，抱住神仙，一把撕开了她的面具，神仙开枪将刘猛打成了重伤。众人急忙将刘猛送到后方医院救治，神仙趁机逃脱了。 刘猛生命垂危，但是只有他见过神仙的真面目，在医院里，刘猛挣扎着告诉鲁平，那个神仙自己见过，就在鲁平办公室里的照片上。鲁平猛醒，冲回办公室，找到了洗印好的关梅与田秀玲的照片，拿到医院叫刘猛指认，刘猛告诉鲁平，那个女人是田秀玲。在军委机要局宿舍，已经暴露的田秀玲慌张地收拾着行装，关梅关切地问田秀玲怎么回事，田秀玲谎称自己的姑姑病了，需要赶过去探望。关梅好心地建议自己陪田秀玲前往。田秀玲欣然答应了关梅的建议。关梅与田秀玲出了延安城，走上了大路。 鲁平带人赶到军委机要局，发现田秀玲已经逃脱，连忙带人追赶。 关梅在路上感觉到了田秀玲的异样，准备拔枪的时候，发现田秀玲已经把自己的手枪握在了手里。田秀玲挟持关梅，正在这个时候，鲁平赶到。双方发生对峙。鲁平与关梅凭借着多年的默契，鲁平开枪击毙了田秀玲。关梅脱险。 鲁平在田秀玲的箱子里，发现了佛爷给他的密写信，佛爷终于露出了马脚。
顺着密写信提供的线索，鲁平将侦查的视线集中在了延安城里的保民粮店。在保民粮店，鲁平化装成贩卖粮食的商人，见到了保民粮店的老板邱大勇。经过一番交谈，鲁平断定，邱大勇应该是一个国民党特务，于是派人日夜监视保民粮店。南洋华侨代表团即将来延安访问。侦查科接到通知，要配合代表团访问，加强安全保卫工作。鲁平带着岳凌霄去鲁艺礼堂，检查安全的时候，遇到了一件怪事。表演独唱节目的女学生李玲意外地误场，而且神秘地失踪了。 鲁平一面叫岳凌霄继续寻找李玲的下落，一面将参加演出的所有学生档案带回侦查科进行审查。关梅兴冲冲地告诉鲁平，自己的结婚报告已经批下来了。但是鲁平对关梅现在提出结婚态度冷淡，这引发了两个人的争执，最终鲁平给关梅道歉息事宁人。关梅体谅鲁平的艰难，自告奋勇帮助鲁平分析学生的档案。 岳凌霄派人四处寻找李玲未果，感觉李玲真的失踪，跑回侦查科报案。 而关梅也找出了李玲的档案，得知李玲是南洋华侨代表团副团长李弘基的独生女。鲁平感觉到事关严重。要求立即加大力度，寻找李玲。 鲁平通过勘查现场，发现李玲是被从学校侧门劫持走的。而李弘基这个时候已经到了延安，正兴冲冲地准备见自己的女儿。 就在这个时候，有人在河边发现了一具无头女尸，从衣着特征上看，就是李玲。
李弘基来访，马部长只好硬着头皮去告诉李弘基，他的女儿被绑架，并且被杀害了，这一消息给了老华侨沉重的打击。 鲁平凭借着李玲的生活习性，还有喜欢打乒乓球的爱好，意识到了问题所在，他连夜赶去侦查走访，终于得出了结论，那具无头女尸根本就不是李玲。李弘基喜出望外，恳求侦查科一定要救回自己的女儿。 正在这个时候，侦查员告诉鲁平，保民粮店的特务逃脱了。鲁平带人勘察现场，从粮店里搜出了大量的武器弹药，还有秘密电台。鲁平判断，李玲被绑架的案子有可能与这伙特务有关。 李弘基收到了匿名信，威胁他不要继续支持共产党进行抗战，不然就会杀掉他的女儿，而且告诉他，李玲正在被劫持到国统区的路上。国民党反动派的用心昭然。 马部长立即命令所有边区检查站，严密关注李玲的动向。 鲁平经过耐心的调查走访，发现李玲失踪的当天晚上与男朋友郑海涛曾经见面。鲁平立即叫人把郑海涛带到了侦查科进行审讯。原来郑海涛被特务们威胁，帮助特务把李玲骗出了学校，之后被特务劫持。郑海涛带着鲁平到了表哥的家里，赫然发现了李玲的踪迹。洛川检查站发来电报，声称有一伙武装匪徒，试图武力闯关，但是被拦截了回去，现在逃进了深山之中。鲁平立即命令岳凌霄带人赶到洛川，解救李玲。富县会计李明辉急匆匆地跑到侦查科来报案，他携带着五千万边区票的赈灾款，在经过甘泉县的时候，在窑洞里发现赈灾款被盗，五千万神秘失踪。鲁平感觉案情重大，派出秦书燕与刘猛赶去调查。
岳凌霄带着侦查员赶到了洛川，在深山之中，发现了绑匪邱大勇的踪迹，岳凌霄带着人在路上设下了埋伏，一番激战之下，救下了李玲，还有一位被劫持的陕北大嫂吴琼。岳凌霄带着李玲与吴琼，朝着延安方向赶去。 刘猛与秦书燕跟着李会计来到了富县，开始调查欠款被盗的案件。刘猛趁着在外办案的机会，开始对秦书燕倾诉衷肠，但是秦书燕却似乎根本不为所动。调查有了进展，与李明辉同住在一个窑洞的甘泉县秘书王来倾有重大嫌疑。刘猛立即对王秘书展开调查。 岳凌霄带着李玲等人夜宿在一处村庄，韩武察觉到了吴琼的行踪诡异，开始留心她。终于，在清晨的时刻，岳凌霄何亮亮给一声枪声惊醒，他们发现韩武已经不见了，连忙赶去。 在深山之中，韩武截住了劫持李玲的无穷，真相毕露，原来吴琼才是这个特务小组的组长，她残忍地将李玲身上捆上了手榴弹。双方僵持。岳凌霄赶到，与韩武前后夹击，将吴琼击毙，救出了李玲。 刘猛顺着线索，在接待办院子的厕所里，发现了藏匿的三千万边区票，又与秦书燕配合，进入王秘书家里搜查，发现了藏匿的两千万边区票。他们立即将王秘书带到侦查科进行审讯。但是鲁平判断案情应该不是这么简单。王秘书也死不承认是自己偷拿了赈灾款。鲁平通过对钞票的研究发现，三千万与两千万不是一批钞票，断定案件另有蹊跷。
