辽沈战役前夕，中共北平地下党员陈建不幸被国民党保密局的特务抓到，陈建禁不起严刑拷打，把潜伏在北平的共产党员全部招供，其中就有警察局的郑朝阳，北平站行动科科长万林生立刻下令按照名单去抓人，他带人赶往警察局，得知郑朝阳下班回家了，万林生派人搜查郑朝阳的办公室，让局长带路去郑家抓人，局长让三儿去喊值班的警察宗向方，可他却借口有事刚回家，其实，宗向方去给郑朝阳报信，他抢了一辆骑自行车绕小路赶往郑家，翻墙头进去通知郑朝阳赶快逃走。

郑朝阳赶忙烧掉重要文件和资料，也跳墙离开，结果不小心掉了一只鞋，万林生带人闯进郑家，把里里外外搜了一遍，在后院发现郑朝阳遗落的鞋子，万林生断定警察局里有同伙向郑朝阳报信，他立刻下令封锁警察局，万科长了解到郑朝阳还有一个哥哥郑朝山，他是北平城的名医，万科长立刻派人去慈济医院抓郑朝山。

郑朝阳第一时间来通知北平地下党负责人罗勇尽快转移，他们俩出门就碰上保密局的特务，郑朝阳谎称罗勇是一个烟贩子，把他抓去警察局审讯，特务要验郑朝阳的身份，他趁其不备把那两个特务打晕，并拿走他们的工作证。郑朝阳和罗勇迎面碰上一队巡逻的国军，郑朝阳引开国军，掩护罗勇撤离，郑朝阳谎称自己是保密局的特工在执行任务，让国军赶快离开，国军队长却不依不饶，双方发生口角，郑朝阳对他大打出手，然后撒腿就跑，国军对他围追堵截，郑朝阳躲到一边，他们迎面碰上保密局的特务，双方发生激烈冲突，郑朝阳趁机逃走。

郑朝阳敲开了保密局冀热辽站站长徐宗仁的家门，徐宗仁得知他是共产党，立刻拔枪相向，郑朝阳不慌不忙是东北军出身，他向老徐讲明利害关系，劝他弃暗投明，不要做国民党的替罪羊。万林生派人把郑朝山抓起来，对他严刑拷打，逼他交代郑朝阳的下落，一口咬定他也是共产党，可郑朝山始终不卑不亢，还和他据理力争，万林生气得恼羞成怒，刚想对他施与暴行，突然接到上级的电话，万林生毕恭毕敬把郑朝山释放。

徐宗仁权衡再三，把国民党潜伏的特工名单交给郑朝阳，郑朝阳发誓会保他们全家平安无事。游击队长郝平川接到上级的命令，让他带队护送郑朝阳出城，郝平川连夜召集在破庙里藏身的兄弟们前往接头的望海楼。万林生从叛徒口中得知郑朝阳要和接应他的人在望海楼见面，他立刻派人做了周密安排，想把郑朝阳他们一网打尽。

郑朝阳乔装改扮来到望海楼外的路边摊，看到街上布满了保密局的特务，眼看接头的时间越来越近，郑朝阳写了一份告示，谎称望海楼店庆，邀请顾客免费吃面，乞丐们蜂拥而至，望海楼的伙计拼命阻拦，双方大打出手。郝平川带人来到望海楼附近，看到里面乱作一团，就猜到情况有变，他立刻带兄弟们出城，想和郑朝阳在城外的第二联络点会合。

郝平川一行人匆匆离开，迎面碰上巡逻的警察，领头的警察是多门，他仔细排查郝平川的行李，发现藏有枪支，他不想节外生枝，不但放走了郝平川他们，还提醒他们从看管松懈的城门出去。郑朝阳来找北平商会会长冼登奎帮忙出城，冼登奎不想惹祸上身，郑朝阳就搬出他倒卖鸦片的事，冼登奎只好答应，还悄悄派人暗杀郑朝阳，冼怡是冼登奎的女儿，她和郑朝阳关系交好，两个人假扮情侣骗过城门的守卫，郑朝阳来到安全地带，就和冼怡告辞离开，冼怡把自己的白围巾围在郑朝阳的脖子上，反复提醒他要多加小心。

郑朝阳刚蹲在河边喝水，突然被城外巡逻的警察发现，领头的孟队长和郑朝阳是老同学，郑朝阳谎称执行抓捕共党的任务，孟队长也没有追究，就放郑朝阳离开了。就在这时，冼登奎  派来的杀手出现，郑朝阳三拳两脚把他打死，万林生带人随后赶到，把郑朝阳团团围住，情况十分危机，郑朝阳刚想把徐宗仁给他的名单藏起来。

就在这时，郝平川带游击大队的队员们及时赶到，把特务们打得四散逃奔，万林生趁机骑上摩托车逃之夭夭，郝平川带郑朝阳来到游击队驻地，才发现罗勇正在里面呼呼大睡，罗勇派郝平川和郑朝阳去西柏坡参加情报人员学习班，毕业以后当警察，可郑朝阳不想再做警察。

罗勇向郑朝阳讲明新中国警察工作的重要性，可郑朝阳就是不同意继续当警察，罗勇苦口婆心苦苦规劝，郑朝阳发誓死都不当警察，罗勇对他破口大骂，郑朝阳只好答应，还要求毕业以后去北平工作，他放心不下哥哥郑朝山。

郑朝阳和郝平川来到西柏坡黄泥村的培训班学习，同班有108名学员，号称是梁山一百单八将，上课的时候，郝平川被前面的女孩白玲身上淡淡的香味吸引，郑朝阳断定白玲用了香水，小声议论她是小布尔乔亚，罗勇让每个学员都讲一讲做警察的心得体会，学员们一一发言，代数理讲述了自己做警察的历程，白玲主动上台讲述学习体会，公开指责郑朝阳不该主观臆断她使用香水，当场拿出用各种草药配制的香包。

吃饭的时候，代数理向郑朝阳说起白玲是从莫斯科留学回来的高材生，郑朝阳笑话她是梁山的孙二娘，白玲把郑朝阳单独叫到一边，代数理和郑朝阳都误以为白领要兴师问罪，没想到白玲向郑朝阳详细了解了北平的掌故传说，就连每个城门敲钟的情况也一一记下来，代数理对白玲的香包很感兴趣，白玲顺手掏出香包，郑朝阳闻出她身上不是香包的味道，白玲只好拿出从苏联带回来的香水，口口声声称就是想教训他们一下，才故意隐瞒了自己带着香水的实情。

夜里，郑朝阳被郝平川和代数理的呼噜声吵得睡不着，他只好点起蜡烛看书，翻出他和哥哥郑朝山的照片，自从郑朝阳潜伏到国民党保密局工作以后，他很多年都没有和哥哥联系，就是不想连累他。万林生带队四处抓人，搞得北平城鸡犬不宁，人们怨声载道，郑朝山从医院下班回家，天上突然下起了鹅毛大雪，他不由地想起弟弟郑朝阳。

时间转瞬即逝，郑朝阳，郝平川，白玲和代数理等学员培训班毕业了，他们乘坐大卡车从西柏坡赶往北平赴任，一路上，学员们兴高采烈地唱歌，郑朝阳当即朗诵了一首诗，白玲指出他的错别字，郑朝阳很尴尬，可很快就被学员们嘹亮的歌声淹没，学员们被暂时安顿在保定的一所学校等候分配。

齐拉拉是保定当地的小混混，靠卖十三香维持生计，他的二叔在解放军驻地做饭，齐拉拉食不果腹，正好看到二叔来买肉，要给西柏坡来的学员们炖羊汤，齐拉拉百般讨好二叔，二叔猜到他又吃不上饭了，正好厨房缺人手，二叔就让齐拉拉去帮厨。罗勇给学员们都安排到北平各个区的警察所，唯独没有给郑朝阳和郝平川安排工作，郑朝阳冲进来找罗勇理论，罗勇决定带他们俩去北平市局，专门负责肃清潜伏在北平的一万多国民党特务，郑朝阳自然求之不得。

齐拉拉想把祖传的十三香扔进羊汤里提味，二叔坚决不干，警卫班的两个战士要提前上岗，他们来厨房喝了羊汤，半个小时后中毒了，代数理向郑朝阳和郝平川汇报此事，白玲也来帮他们俩审讯，炊事班的人全部被控制起来，郑朝阳他们三人对齐拉拉进行讯问，齐拉拉一口咬定自己往羊汤里撒了十三香，白玲看出齐拉拉是无辜的，可郝平川认定齐拉拉就是凶手，白玲当场反对，还对郝平川的审讯方式提出质疑，提醒他不能凭主观臆断，郝平川不服气，赌气头也不回地离开了。

郑朝阳始终一言不发，可白玲早就看出他已经排除了齐拉拉的嫌疑，郑朝阳凭借多年跟着哥哥学医的本事，很快闻出齐拉拉包十三香的纸上没有羊汤中杏仁的味道，白领不禁对他刮目相看。郝平川很快赶回来，他已经查清了齐拉拉的底细，得知他父亲生前是打鬼子的英雄，白玲提议调查离开过厨房的人，了解到维修工老黄曾经出去过，郑朝阳和郝平川陪她到厨房仔细排查，不敢放过任何一个细节，郑朝阳突然发现水管被人改动过，他立刻拿过扳手卸下水管，白玲从中发现端倪。

医院派人把中毒的哨兵的检测结果送来，白玲发现他们中的是美国研制的一种毒药，和水管接头处麻绳上的毒药一模一样，郑朝阳因此断定老黄有重大嫌疑，决定再次审讯齐拉拉，齐拉拉试图逃跑，被郝平川当场抓获。

老黄下毒行动失败，只好回来向国民党军统特务头子尚春芝复命，尚春芝代号兰花，她知道老黄已经暴露，让他赶快去黑森林转移那里的军火，一旦发生不测，就把军火全部炸毁。郑朝阳当面解除了齐拉拉的嫌疑，可还是把他关起来掩人耳目。

郑朝阳和白玲假扮商人夫妻，要租下老黄居住的院子，房东敲开老黄的房门，郑朝阳和白玲进去看房，老黄很警觉，手始终插在口袋里，郑朝阳一眼就看出他握着手枪，假装不动声色走到老黄身边，欣赏他身后的那副“万马奔腾”的画作，白玲连连催促，郑朝阳假装离开，趁其不备把老黄制服。白玲赶忙把郝平川等人喊进来，郝平川从床下搜出一箱炸药，老黄见大势已去，他吞下一颗毒药自杀而死。

郝平川从老黄的房间搜出一部电台，郑朝阳发现未烧尽的纸条，白玲就用在苏联学过的技术，用火烤的方法把纸条上的字恢复，上面写着黑森林，郑朝阳得知齐拉拉搜集了很多旧地图和旧杂志，就带白玲和郝平川来到齐拉拉家里，从中发现黑森林就是保定的大虎沟，那是敌军的军火库，罗勇立刻下令端掉大虎沟的军火库，战士们以迅雷不及掩耳之势把隐藏在那里的特务一举歼灭。

秦招娣急匆匆来尚春芝汇报，尚春芝谎称今天是秦招娣的生日，亲自给她做了一碗长寿面，事先在面里下了毒，尚春芝把手上的兰花戒指戴在秦招娣手上，还把她的军统特工证件放到秦招娣身上，尚春芝当年收留了无家可归的秦招娣，就已经想好了这一天。

战士们很快发现了秦招娣的尸体，郝平川对现场进行勘察，认定死者是女特务尚春芝，可白玲却不以为然，因为现场没有打斗的痕迹，唯一能证明其身份的就是尚春芝的特工证件，白玲从死者手上的戒指和她指甲里的泥垢断定死者不是尚春芝，郝平川不服气，和白玲据理力争，白玲当面指出郝平川办案程序不规范，不带手套也不封锁现场，导致案发现场足迹混乱，郑朝阳极力替郝平川说情，罗勇同意白玲的建议，决定把办案规范化必须提上议事日程，让他们把这个案子交给当地同志继续查办。

1949年1月21日，傅作义率军起义，解放军正式进驻北京，国民党军队全面撤出去。郑朝阳，白玲，郝平川和代数理等学员坐大轿车前往北平赴任，眼看北平城就在眼前，学员们即将各分东西，大家都不舍得分开，郑朝阳当即决定每年聚会一次，就定在他们到黄泥村报到的日子，学员们一一握手告别。尚春芝化身秦招娣，她租了一辆马车前往北平，谎称要去投奔二叔，向车把式打听北平的情况。

郑朝阳和郝平川来北平市警察局办理交接手续，徐汉成局长带领所有警员到门口迎接，热情地把他们迎进办公室，对郑朝阳点头哈腰，郑朝阳当面揭穿他是国民党保密局的专员，徐汉成连连辩解自己也是被逼无奈，郑朝阳让他把自己知道的所有事都一一整理出来，徐汉成吓得一溜烟躲走了，郑朝阳把警员三儿叫来，三儿跪倒在地连连求饶。