2002年冬天一起跨境军火走私案和中俄边境连续几起杀人案，把中俄两国警方联系了起来。中国由满城公安局副局长黄剑虹，刑警队长铁河（宋运成饰）、侦察员王小海和翻译邬娜四人组成项目组跨境到俄罗斯调查取证。根据我方掌握的杀手特征，侦察围绕中俄两个化名尤里和吴小军的人展开，却不料相关证人军火走私案主犯张志远和汽车爆炸案目击证人谢尔盖相继被杀。涅瓦大街杀人案的重要证人瓦里耶夫医生失踪了。中俄警方一时陷入迷茫。警方经过跟踪侦察，找到一系列泄密原因出自俄阿尔塔时报记者阿廖沙，并进一步了解到张志远及军火走私同谋李友名均属飞龙集团铁龙部下，对铁龙产生怀疑的铁河甚至想避嫌退出项目组，因为他俩还是分别十余年的手足兄弟。
经过更深入的调查排除了铁龙是系列杀人案的主谋，却牵出了铁龙的生意竞争对手，俄罗斯富商沙沙(黑社会性质)。黄剑虹在调查案件的同时，也在秘密调查妻子自杀之谜，黄发现妻子的死与一起跨境贩毒案有关，随着调查深入中国侦察组了解到化名尤里和吴小军的杀人犯是飞龙集团总经理傅菲菲的手下。而傅菲菲竟是黄大学时代的初恋女友。原来，傅菲菲恰是贩毒团伙的核心人物。她利用在铁龙集团的合法生意地位，背地却与沙沙联手贩毒，利用挑唆铁龙和沙沙相互争斗，自己隐避在暗处。她先是障人耳目制造军火案，为杀人灭口派人除掉黄妻，间接绑架马科夫的女儿，最后劫持了女警官邬娜。中国侦察组在俄方警官马科夫，娜佳配合下，最后解除了沙沙，铁龙团伙的武装，救出了被绑架的马科夫的女儿，挖出了杀手及幕后的主谋傅菲菲。黄亲手杀了他曾付出情感的如今却是仇人的傅菲菲，但邬娜却血洒俄罗斯。铁河、铁龙铁窗诀别，彼此感慨万千。中国侦察组告别了一起出生入死的俄方同行踏上了归国的征途。血案惊天，中国刑警境外出击；中俄警方，连手打击跨国犯罪。