1948年初冬的北平，守城的国民党108师副师长田子恩接到密命，在北平主要的名胜古迹附近全部开掘出地道或暗室， 并提前埋装炸药。北平一旦失守，同时引爆。……到时候，共产党接收的将是一座死城。 仁济医院的护士林倩如在上夜班路上被一群流氓堵截，关键时刻被一名青年周伯勋搭救，林倩如在和周伯勋的交往中对他产生了好感，但周伯勋的行踪却显得十分神秘。
林倩如的表弟焦志新是个学建筑的大学毕业生，他在老师李正亭的带领下被关在国民党宪兵队严格看管的小楼内，正在日夜赶制有关北平的文物建筑图纸，据说为了战争一旦爆发可以实施对北平重点文物的保护。但李正亭突然从北平地下党负责人章少川处得知了敌人是以保护文物为名，实际上准备爆破北平历史名胜古迹的阴谋，他决心将所有绘制的图纸藏起来。李正亭教授为了保护图纸不幸受伤被捕牺牲，李正亭在牺牲前将图纸交给焦志新，焦志新同时遭到追捕躲进表姐林倩如的医院里，没想到负责追捕的正是周伯勋，原来他是国民党108师的副官。
焦志新在危急中将图纸埋在郊区河边，他把这一秘密告诉了李正亭教授的好友，古建筑专家苏云轩。焦志新在离开苏云轩家后刚跑出不远，明晃的车灯照着他的眼睛，一排宪兵站立在他面前，周伯勋坐在宪兵队吉普车内冷冷地盯着焦志新。两人默默对视。
焦志新和一群政治犯被押上了刑场，副官周伯勋带队执行枪决。周伯勋毫不犹豫地举枪瞄准焦志新一枪将他击毙，焦志新裁入大坑内，随着一阵阵枪声，十几名政治犯纷纷倒下……。
林倩如因为受焦志新一案牵连被关进了看守所，周伯勋出面把林倩如保释出来，林倩如在回家的路上从报上看见焦志新等共产党员被处决的消息当场昏倒在马路上，等她醒来的时候发现周伯勋坐在她的床前关心地看着他。
当夜下起了瓢泼大雨，奄奄一息的焦志新从昏迷中被雨水浇醒，原来敌人的子弹稍稍射偏了一点，他又第一个倒下，其他人的尸体压在他身上，所以敌人补射时他也侥幸躲过了。焦志新咬着牙一步步从坑里爬出去……。
苏云轩的大女儿苏小雅在母亲秀子的陪同下突然回国。苏云轩早年是个日本留学生，学习建筑设计，并娶了个日本妻子秀子，抗战开始后他带着小女儿苏小枫回国，回国后苏云轩成立了一个建筑设计公司，主要致力于对古建筑的修缮。大女儿留在日本继续上学，因为战争的原因，妻子秀子也留在日本没有随他回国。苏小雅根据父亲的要求在大学学的也是建筑系，苏云轩希望她将来能接自己的班。苏云轩的小女儿苏小枫酷爱音乐，是个钢琴演奏家。苏小雅和苏小枫姐妹俩的个性反差极大，姐姐泼辣热情，妹妹温柔顺和。
焦志新在好心的农民护理下终于死里逃生又活了过来，焦志新醒来后第一件事情是去寻找他埋放的图纸，但图纸已经不在了，他冒着危险找到苏云轩寻问图纸下落，苏云轩却告诉他，他从来没去取过图纸。
焦志新一直热恋着表姐林倩如，他在被捕前发现林倩如爱上了追杀并亲手执行枪毙自己的仇人周伯勋，他既感到痛苦又感到愤怒，他决心报仇。他终于打听到周伯勋要去参加一次在东交民巷举行的社交活动，他决定下手，当周伯勋在巷口下车朝里走来时，焦志新突然从电线杆背后闪出，用准备好的尖刀朝周伯勋的后背猛刺过去，周伯勋似乎感觉到有人，身子一闪刀子扎进后背，周伯勋在转身同时拔出枪对准焦志新，焦志新已经来不及拔枪，周伯勋用枪顶着焦志新的脑袋。两人对视——。四周响起一片警笛声。
焦志新被警察前堵后追难以脱身，情急之中他翻墙滚入了一个后花园里。美国大使馆正在那里举办酒会，秀子和苏小雅也来参加社交活动，苏小雅吃惊地看到焦志新一瘸一拐地沿着走廊奔过来。身后传来追赶的声音，苏小雅一把拽住他将他推入一间小屋内。在苏小雅的掩护下，焦志新顺利逃脱了警察的追捕。
焦志新的行为受到章少川的严厉批评，地下党负责人章少川批评他的刺杀行动差点给
地下组织造成巨大的损失，果然，第二天全城戒严进行大搜捕，章少川安排交通员连夜将焦志新送往解放区参加华北野战军。
林倩如得知周伯勋被刺的消息后赶到医院并精心护理他，当周伯勋伤愈后，改名冯秉堃并决定离开国民党军队。林倩如决定嫁给已经改名换姓的冯秉堃。
不知为什么苏云轩和秀子的关系变得越来越紧张，一天，两人之间终于爆发了激烈的争吵，北平解放前夕，秀子决定离开北平独自回日本，但她乘飞机到上海准备坐船回国时，轮船在吴淞口外发生事故，船沉入大海中，船上所有人都遇难了。苏小雅得知消息后赶到上海，在遇难者名单中见到了母亲的名字。
苏云轩没想到秀子竟会遭遇海难也感到十分意外，苏小雅大骂父亲太狠心把母亲赶走，连苏小枫也觉得父亲对母亲太冷淡。因为秀子是意外死亡，因此葬礼并没有更多的人参加，甚至连秀子家都没有来人，除了苏云轩和他的两个女儿外，只有苏云轩的美国朋友马约翰神父参加了葬礼。
1950年，北平已经和平解放。公安部决定从全国部队抽调一批骨干充实干部队伍，担任华北军区某部侦察参谋的焦志新接到命令去北京市公安局侦查处报到。
焦志新回到北京立即去公安局报到，原来章少川当上了北京市公安局副局长，他告诉焦志新北京和平解放，因此留下了大量残余敌特，既有国民党军官、宪兵、特务也有外国间谍，为了保卫新生的红色政权，保卫首都的安全，除奸反特的任务十分艰巨。
焦志新回北京后到处寻找林倩如，但原先林倩如居住的小楼已经拆除改建。一天，焦志新在在穿行街道的人群中有一张熟悉的脸，他一下子认出是周伯勋。虽然他改了发型并戴上了眼镜但焦志新仍然认出了他。焦志新急忙回身穿过马路去追，却发现周伯勋已经消失在人群中了。焦志新回来后找到章少川报告此事，章少川却告诉他肯定是看花眼了，周伯勋两年前被他刺伤后，伤口感染不治而死，当时还见了报纸。焦志新却将信将疑。他特意去查了当年的报纸，果然查到108师稽查处长周伯勋遇刺身亡的消息。
冯秉堃在北平解放后的行踪显得愈加神秘，有一次他突然离家失踪了好几天，林倩如十分着急，听医院的同事说最近社会上出现绑架事件，林倩如决定去公安局报案，没想到她在公安局的院子里竟意外遇到了焦志新。她才知道焦志新没有被打死又当上了公安干部。
当焦志新得知林倩如已经结婚时虽然感到意外和痛苦，但他丝毫没有责怪林倩如，因为他当时已经“牺牲”，林倩如还为了他而遭受了不少惊吓。但当焦志新发现林倩如丈夫是周伯勋时十分吃惊。焦志新不得不告诉林倩如当年负责抓捕并开枪将自己枪决的凶手就是周伯勋。林倩如根本不信，她认为焦志新肯定是认错人了。
但不久以后，林倩如在整理冯秉堃的衣服时无意中在冯的大衣口袋里发现了一张从香港到广州的车票林倩如一下愣住了。接着她又发现了冯秉堃在购买的医疗器械中夹杂着电台的零件，尤其她发现冯秉堃经常神秘外出，并用显影药水偷看信件……
林倩如经过激烈的思想斗争决定去公安局找焦志新，焦志新正在开会，专案组长刘祥春安排郑贤治出面接待林倩如。但郑贤治恰好是打入我公安局内部的特务(代号“黑蛇”)。郑贤治认为林倩如因为太紧张产生了幻觉。焦志新得知林倩如对冯秉堃产生怀疑后，更加坚定了自己的判断，他几次想约林倩如以证实冯秉堃就是周伯勋。特务组织知道林倩如向公安局举报冯秉堃以后，命令冯秉堃立即用毒药将林倩如毒死。
冯秉堃想采用别的方式将林倩如送到外地去，但特务组织头子侯天柱告诉他，这是考验他是否对党国忠诚，冯秉堃终于决定执行命令。林倩如的突然死亡使焦志新与冯秉堃的关系更加紧张，两人都认为是对方逼死了林倩如。
燕京大学教授史庄生和苏云轩是世交，史庄生的儿子史仲良现就在苏云轩公司担任总经理助理，他热恋上了苏小雅，苏小雅在偶然的一次机会重逢了当年曾救过的焦志新，苏小雅自从见到焦志新以后，对史仲良的态度却变得若即若离。焦志新在与苏小雅多次接触后对她也产生了好感，但因为史仲良与苏小雅订婚在先，因此坚持要将女儿嫁给史仲良。尤其当他得知苏小雅爱上的是个公安人员，并认出焦志新之后，更坚决反对女儿与焦志新继续来往。
未料，史仲良在结婚前突然失踪，同时还丢失了一台收发报机。几天后，史仲良的尸体在教堂附近的小树林中发现。史仲良是个天主教徒，在结婚前一天曾去教堂祈祷，因此神父马约翰成了主要嫌疑犯。但苏云轩却出面保了马约翰认为他不可能是凶手。
北京市区内发现了敌人的电台，根据截获的电报破译：敌人将在国庆节期间实施代号为“黑蟒行动”的爆炸计划，以达到破坏和造成政治影响的目的。但具体计划内容和爆炸地点至今毫无消息。眼看离开国庆节只剩二十来天时间，公安部下达了限期破案，务必将敌人全部捉拿归案的命令。
苏小枫的男朋友杨铁君是个无线电专家，他能过自己研制的信号跟踪仪发现了可疑电波，但他追踪时却被人打昏，他醒来发现自己被绑在一间小屋里，而进来审讯他的竟是苏小雅。
原来苏小雅的母亲秀子一家都是日本的极右分子，抗战爆发后秀子一家都积极鼓吹大东亚共荣圈，并逼着苏云轩表态支持日本侵华。苏云轩才下决心离开日本回国，本来他想把两个女儿都带走，但秀子家不同意，他只好先带着小枫回国。苏小雅从小受母亲的影响，最后加入了日本的间谍组织。两年前秀子带着小雅回来，秀子的主要任务就是为了动员苏云轩参加日本的间谍组织，并给他送来了委任状，但苏云轩坚决拒绝参加任何特务组织，所以夫妻关系变得十分紧张。秀子临死前就是为这件事和他大吵一架，觉得没有完成任务无法回去交差，才下决心自杀，同时用这种方式向他表示抗议。秀子死后苏小雅为了继承母亲的事业死心塌地的成了一名特务。
史仲良就是因为发现了苏小雅的特务行动很难过，苏小雅答应跟他去教堂忏悔，在路上将他杀害后埋在教堂树林里的。
苏小雅的父亲苏云轩表面上不问政治，待人冷淡，其实他抗战时期就利用自己的各种关系为八路军购买各种禁运物资。他发现秀子偷盗了图纸后，悄悄用假图纸换走了国民党特务急需的图纸并将其主要数据用暗号记录在自己的小本子上，但秀子死后，他不断接到恐吓，如果他揭露真相并帮助公安人员，特务将会加害全家，苏云轩为了保护两个女儿才一直犹豫，他所以反对女儿和焦志新来往，也是考虑到秀子的特殊原因怕会连累焦志新。经过斗争，他还是决定配合公安人员根据他当年所记录的数据，重新绘制出北京重点古建筑的结构，为公安人员寻找有关的地道、暗室提供资料。
苏小雅在偷偷拍摄苏云轩的图纸时被父亲发现，为了完成计划，她不惜对准父亲开枪。原来她就是美国中央情报局派遣的代号为“大少爷”的“黑蟒行动”主要执行人。她的唯一上级是代号为“毒蝎”的负责人，但“毒蝎”只和佐藤单线联系，连苏小雅几次要求见面都没同意。苏小雅根据“毒蝎”命令，组织美国中央情报局和国民党军统特务组织准备启动“黑蟒行动”。
随着时间的推移，破案工作越来越艰巨。每当我方准备采取行动时敌方总是抢先一步，有时甚至将准备向我方提供情报的人员秘密杀害。在一次执行任务时公安人员杜庆元又遭郑贤治暗杀，章少川早就怀疑我方有内奸，根据内部掌握的资料已经开始怀疑郑贤治，但没找到确切证据，关键时刻章少川接到我方潜入敌人内部情报人员送来消息证实了郑贤治的特务身份，但在抓捕郑贤治时他持枪反抗，被当场击毙。
郑贤治的死在特务内部引起恐慌，他们行动变得更加隐蔽。
一次焦志新和杨柳执行任务去特务聚会地点取情报时，焦志新突然在特务人群中发现了冯秉堃，焦志新不顾出发前上级规定不准打草惊蛇的指示，决心当场抓获冯秉堃。两人经过反复较量，焦志新终于在杨柳帮助下抓住了冯秉堃，焦志新将冯秉堃押送回公安局审讯。未料，章少川得知消息后大怒，命令焦志新立即停止审讯一切等他亲自处理。章少川赶来后才向焦志新宣布：冯秉堃是我方打入敌人内部的一下特工。焦志新简直无法相信当年亲手逮捕自己并执行枪决的会是自己同志，章少川告诉他当年宪兵队已经下达了焦志新如果拒捕就当场击毙的命令，冯秉堃(周伯勋)才抢先抓到他。冯秉堃是个“百步穿杨”的神枪手，在执行枪决时故意没有击中要害才使焦志新有机会死里逃生。
焦志新仍然无法相信当初向自己开枪的“敌人”会是自己的同志。尤其对冯秉堃为了取信敌人竟狠心用毒药药死林倩如总是耿耿于怀。但冯秉堃告诉他林倩如并没有死，在他下药前，组织上已经组织好医疗队伍，在监视他的特务离开后立即进行抢救，林倩如现在已经安全隐蔽起来，焦志新这才相信所发生的一切。
在章少川和亲自策划下，故意将冯秉堃将转移到郊区监狱的消息透露给特务组织，侯天柱果然组织了劫车，使冯秉堃又重新打回到特务内部。但苏小雅对冯秉堃的突然回来表示极大的怀疑。她始终怀疑冯秉堃是共产党间谍。
敌方故意派冯秉堃去取情报，并将此信息通过无线电发出，通知第二行动组在冯秉堃取到情报后在中山公园后山将其“除掉”。我方在截到敌方电报后紧张安排营救，但焦志新经过认真判断认为这是敌人故意安排对冯秉堃的考验，如果我方营救证明冯秉堃的确是“内奸”，而我方已经掌握敌人的密码。此举营救恰好上了敌人的当。但其他所有的人都担心万一焦志新判断错误，很可能冯秉堃就会因此牺牲。有人甚至怀疑因为冯秉堃是焦志新的情敌所以才故意见死不救，焦志新压力极大，但在最后一分钟他果断下令让营救小组就地待命。冯秉堃在公园指定地点取到情报后，两个形迹可疑的人朝冯秉堃走去，他们口袋中鼓出的显然是枪管。埋伏在四周装作游客的公安人员差一点沉不住气要冲上前，焦志新躲在工具间透过门上的小孔屏住气紧张地注视着他们，但他咬着牙没有发出行动信号。所有人都没敢轻举妄动。果然此时敌方的负责人正在附近小楼顶上用高倍望远镜监视冯秉堃及四周人员的一举一动。两个大汉与冯秉堃擦肩而过，冯秉堃沉着地继续朝前走去，其中一个男人在离开冯秉堃后从大衣口袋里取出“枪”，原来是只酒瓶。埋伏在周围的人终于松了一口气，冯秉堃也通过了“考验”。
苏云轩经过抢救脱离危险，但女儿堕落为间谍使他感到极大伤心和自责。苏小枫也从父亲嘴里得知苏小雅是杀害史仲良的凶手、也是绑架自己男朋友的罪人，她简直感到不可思议，她为自己姐姐坠落成为一名敌人而痛苦万分。
根据“毒蝎”指示，苏小雅决定将爆炸所用的一部分炸药藏在教堂里，遭到神父马约翰的坚决反对，但苏小雅和特务将马约翰和助手小哑巴绑架后关在地下室内，炸药也被堆进了地下室。
林倩如根据组织安排回到四川隐蔽，但当她发现自己已经怀孕后，毅然决定返回北京寻找冯秉堃，但她为了见到冯秉堃被特务发现被绑架。苏小雅为了再次考验冯秉堃竟然要求他当场开枪打死林倩如，当冯秉堃在特务的包围中被迫按动枪机时才发现枪膛里没有子弹。林倩如被关押在地下室里。
冯秉堃得知敌人把炸药藏在教堂的消息后，立即赶去教堂营救出马约翰和小哑巴，但此时国民党特务也赶来，马约翰打开地下室暗道的门，帮助冯秉堃撤走，小哑巴为了掩护神父和冯秉堃故意引走特务，结果摔死在山崖下。
冯秉堃赶到公安局报告了炸药埋藏地点后，立即赶去营救林倩如，但林倩如被特务开枪击中受了重伤，抢救无效死去。
当焦志新率领公安人员赶到教堂遇到正准备转移炸药的苏小雅，焦志新亲自将苏小雅押上了警车，但在途中苏小雅却突然装作发病逃跑。
苏云轩突然收到匿名警告信，威胁他不要参与目前事件，他对照信封上的字迹，发现信纸上散发出特殊的清香，突然意识到秀子可能并没有死。
苏云轩去澡堂附近找到佐藤询问佐藤自己的女儿是不是被他藏了起来？佐藤说从来没见过他女儿。苏云轩突然提出要求见秀子，佐藤笑了说秀子不是早已经死了吗？苏云轩却冷冷地警告佐藤，他已经知道秀子没有死，但他让佐藤转告秀子离开自己的女儿远些，他决不能允许小雅坠落为美国中央情报局的间谍，佐藤装疯卖傻似乎一无所知。
当晚，苏小雅接到通知，“毒蝎”准备接见她，第二天她化了妆赶到白云寺中见到化妆成道姑的“毒蝎”才发现，原来是母亲秀子，秀子在49年的海难中根本没有上船，她制造了自己已经死亡的假像后，作为美国中央情报局的特派员潜伏下来指挥“黑蟒行动”。秀子把一颗美国制造的定时炸弹交给苏小雅，并亲自给苏小雅布置了任务，准备在十一天安门游行时，在游行队伍中制造大爆炸。并告诉她万一失手，她会亲自完成这一计划。
苏小雅夜里潜回家中窃走父亲上天安门观礼的观礼证，但被睡在客厅中的马约翰发现，马约翰和苏小枫追踪苏小雅到了中山公园。焦志新和冯秉堃在接到苏小枫报告后赶到中山公园。马约翰首先发现了苏小雅的行踪，他拦住苏小雅劝她悬崖勒马，但苏小雅却把尖刀刺进了马约翰的胸口。当苏小雅把枪口对准企图制止自己的苏小枫的时候，焦志新及时赶到第二次亲手将苏小雅抓获。
苏小雅被捕后拒不交代炸药藏在哪里，但冯秉堃和焦志新从彩车中找到那颗定时炸弹，但他们发现这一枚定时炸弹是十分先进的进口炸弹，短时间内根本无法拆除，炸弹将在国庆十点钟爆炸，此时天即将亮，离爆炸只有三个小时。焦志新当机立断决定将炸药装上车，自己开车将炸药运送到离开北京到最远处荒郊爆炸，但此种炸弹引线十分精细，车辆在颠簸途中一旦脱落随时可能将炸弹引爆。为了保证北京人民欢庆国庆节焦志新不顾杨柳笔其他人的拦阻发动装着炸药的吉普朝郊野开去。
马约翰从昏迷中醒来找到冯秉堃说苏小雅亲口对她说，即使她失败还有第二方案，冯秉堃突然想起苏云轩曾报告过秀子还活着怀疑。冯秉堃和苏小枫赶回她家，找苏云轩拿到秀子像片，赶往白云寺。
苏云轩在苏小枫的陪同下最后见了一面，但苏小雅死不悔改的嚣张气焰使苏云轩忍无可忍狠狠打了女儿一记耳光后离去，但就在这时他突然醒悟到，曾经在澡堂里见到过的老女人就是秀子化妆装扮的。他立即向刚刚扔完炸药赶回公安局的焦志新报告。
同时，冯秉堃也在白云寺里发现了秀子扔下化妆成澡堂老妇的服装后赶往位于天安门西侧南池子的“为民澡堂”。
当冯秉堃和焦志新几乎同时赶到“为民澡堂”，经过一场激战将特务击毙后冲进浴池才发现水池的水放干，池内里已经堆放了一大堆炸药。整个澡堂已经成了一个炸药库……。
焦志新、冯秉堃、杨柳和其他公安人员破门而入，举枪对准秀子。
焦志新和公安人员准备上剪抓秀子时，身穿和服的秀子突然松开外套，原来她在身上已经绑满了炸药和雷管。如果公安人员上前一步，她立即引爆，而一旦引爆就会引起池子里堆放的大堆炸药爆炸。到时候不仅墙外的工人文化宫将被炸毁，连天安门城楼都可能被炸塌。所有的人都愣住了。双方僵持——
窗外传来毛主席和中央领导上登上天安门城楼开始阅兵的实况转播声……。
秀子提出：必须立即释放她的女儿苏小雅，如果二十分钟之内不能见到她女儿，她就引爆炸弹……
这在这时，听说母亲还活着，刚刚赶来的小女儿苏小枫从人群背后慢慢走上前，她痛苦地喊了一声“妈妈……”
秀子听到苏小枫的声音一愣，她转过身时，下意识松了松手，就在这时一声枪响。秀子被击毙在地……。
“雷霆行动”胜利完成，公安局举行庆功宴会，冯秉堃开独自一人开车到墓地探望林倩如。
冯秉堃终于重新穿上了军装，但他接到通知立即去公安局，向章少川副局长报到。章少川给他看了一份上级的“密令”，组织上决定让冯秉堃重新打入西南边境的国民党残余部队之中。