津浦铁路上，八路军袭击畑俊六的专列。畑俊六并不在火车上，被打死的是一名机要秘书。战士们从火盆中抢出一张尚未燃尽的文件封面，残留字迹表明，敌人有一个绝密计划——“半人马计划”，执行人是日军宪兵司令中村淳雄，内容已经被全部销毁。中共敌工部接到这一报告的同时，发现日军部队调动异常。军区领导紧急指派联络员侯叔潜入敌占区，联系一名潜伏在敌人内部，代号“037”的情报员的上线，通过他向“037”传达指示——查清“半人马计划”并摧毁。

中村淳雄通过勘验列车事故现场，发现畑俊六乘专列离开的消息早已泄露，泄密源头就在日本宪兵队内部。中村决心不惜一切代价，揪出此人，以确保“半人马计划”的顺利实施。

联络员侯叔刚进敌占区就被察觉。侯叔到报社发了一篇寻人启事后离开，中村随即分析出了启事的意图。周启明奉命来到宪兵队，中村命令他接任别动队队长职务，执行特别行动：抓捕潜来的共产党联络员和其接头人，从而挖出潜伏在日特机关内部的中共情报员。中村万万想不到的是，他的目标其实正是周启明。

侯叔来到接头地点大明湖，周启明发现了他。此刻，前来督查设伏情况的中村也确定侯叔就是联络员。危急关头，突然出现的算命先生钱仁轩令周启明灵机一动——周启明撺掇钱仁轩去给侯叔算卦。在钱仁轩的纠缠中，侯叔发现情况异常……就在特务对侯叔紧追不放的关键时刻，中村突遭枪击，开枪的是沈穆之带领的国民党军统局暗杀小组。这一突如其来的变故，使周启明得到了掩护侯叔撤离的机会。

侯叔脱险，再次联络周启明的上线王掌柜，在接头地发现有特务埋伏。为了不暴露王掌柜，侯叔鸣枪示警，负伤被抓。济南工委决定营救侯叔。接受任务的是与周启明、王韵婷同住梅花巷18号的日本特务，代号“影子”的徐桂花。徐桂花召集城内的几名地下党员谋划营救事宜，同时通知中村设伏，消灭这批地下党员。王掌柜潜入医院，伺机与侯叔接头。营救行动失败，侯叔中弹。王掌柜在侯叔弥留之际得到了上级的指示。

回顾营救过程，周启明梳理出当时有两人受伤，其中一个是王韵婷。王韵婷的身份让周启明感到困惑，她是营救小队的成员还是无辜的旁观者？就在周启明感到困惑的时候，中村命令他彻查医院里的可疑分子。周启明借机实施计划，用自称“半仙”的钱仁轩暗中查找逃脱受伤人的下落。

钱仁轩在查找时发现，居住在梅花巷18号的报社记者徐桂花形迹可疑，报告周启明。徐桂花引起周启明的注意。因周启明目前掌管别动队，王韵婷接到上级命令：接近周启明，将他策反。接近过程中，二人在不知不觉中产生了微妙的感情。

徐桂花发现了周启明的一些异常举动，展开调查，岂料，她的身份早已引起周启明的怀疑。周启明找到徐桂花，请她帮忙给王韵婷写一封情书，借机拿到徐桂花的笔迹。曾留学日本的周启明发现笔迹里有一个字是日语的常用写法，产生怀疑，设计将她带到宪兵队。中村以徐桂花是记者，逮捕她会对宪兵队造成不利影响为名，将其释放。周启明由此确定——徐桂花是日本特务。而此时，徐桂花也认定周启明是中共地下人员。

中村准备枪杀一批被捕的共产党员。上级决定实施营救。为确保营救行动万无一失，八路军敌工部与工委决定打破两个系统中的情工人员不能有直接接触的常规，由敌工部下达指示，通过王掌柜将周启明的身份告诉王韵婷，命令王韵婷向周启明传达上级对周启明配合王韵婷和营救小组行动的指示。在周启明、王韵婷和营救小组的共同努力下，营救成功，周启明和王韵婷的爱情也得到了升华。

察觉到可能暴露，徐桂花决定暗杀周启明。奉命执行暗杀任务的几名便衣特务将周启明堵截在梅花巷内。但暗杀失败，徐桂花羞愤难耐，面见中村，通报她对周启明的怀疑。

周启明被带到宪兵队审讯室。周启明列举了大量事实加以证明，那个神秘的中共情报员是神出鬼没的算命先生钱仁轩而非自己。中村将信将疑，下令逮捕钱仁轩。钱仁轩却早已在周启明的安排下人间蒸发。周启明谎称与钱仁轩有过约定，可以在约会时当场逮捕他。中村释放周启明，命令特务暗中监视。不日，周启明报告中村，钱仁轩将与之约会。中村亲自带人前去抓捕，被提前埋伏在此的沈穆之击毙。

周启明发现城内和火车站有日军频繁调动，意识到大规模扫荡就要开始，通知王掌柜立刻上报消息。王掌柜刚要动身，几名特务突然出现……王掌柜的被捕让周启明意识到，致命危险已经降临。经过一番思考，周启明与王韵婷化装成一对前来中国寻亲的日本夫妇，进入徐桂花经常出没的日本会所，企图将她除掉。突然到来的这对夫妇引起会所工作人员的兴趣。这名工作人员发现王韵婷对日语不太熟练，产生怀疑。周启明感到情况不妙，急中生智，声称他们是受华北日特机关委派，来此调查共产党潜伏人员的，请求秘密会见上级“影子”，并将接头地点安排在梅花巷18号院内。徐桂花得到消息，断定这对夫妇就是周启明和王韵婷，在梅花巷设下埋伏，企图当场逮捕周启明和王韵婷。周启明和王韵婷进入梅花巷18号大院，发现这里气氛肃杀，意识到一场生死考验就在眼前。

沈穆之回想起与周启明做邻居时结下的深厚友谊，决定赶往梅花巷18号，与之做最后的告别。不料，沈穆之刚刚进入梅花巷就被为“讨债”追踪而来的钱仁轩扑倒在地。打斗中，沈穆之和钱仁轩同时发现了只身进入巷口的徐桂花——二人停止打斗，齐心协力扑向徐桂花。

突如其来的变故让周启明得到机会，掩护王韵婷撤离，拿出提前藏好的手枪，冲出门去。徐桂花意识到自己的真实身份已经暴露，孤注一掷，与周启明展开正面交锋。徐桂花终被击毙，周启明从她随身携带的照相机中找到了那份“半人马计划”潜伏人员的名单。日军的“半人马计划”被彻底摧毁，潜伏在我八路军根据地的日特分子纷纷落网。