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刺耳的铃声把侦察科副科长林云飞从睡梦中惊醒，电话中传来另一位副科长董智超急促的声音，让他迅速赶到铁路公安局，执行一项紧急命令。原来本市八所秦工程师在火车站丢失了电脑包，里面装有重要的国家机密。此事惊动了省公安厅，也引起了更高层领导的高度重视，指示立即破案，绝不能让国家机密流失。当林云飞和侦察员曹阳赶到铁路公安局时，董智超告诉林云飞公安已经把案子破了，基本判断是一起普通的盗窃案，让林云飞留下做好收尾工作。林云飞观看了审问小偷的录像，发现了其中的破绽，判断这不是一起普通的盗窃案。国家安全部门迅速接手此案，小偷在强大的心理攻势下，交代了是受盗窃集团头子范老五指使。通过询问秦工程师，得知他曾在此前去过足疗中心，从而判断秦工电脑包中的机密文件很可能已经被人读过里面的数据，足疗中心老板有重大嫌疑。为了防止国家机密被运出境，国安迅速抓捕了范老五和足疗中心老板苗金水。经审问，苗金水供出自己从事间谍工作，这次行动是受隐藏在八所的上级指挥，此人代号“无面人”。
这个“无面人”就隐藏在八所内部，此次行动的代号叫“影子行动”，其目的是通过境外的间谍卫星将失窃的文件发送到境外。国安厅关厅长指示成立专案组，务必在48小时之内侦破此案，整个行动由侦察处洪子城处长负责指挥。根据“无面人”就在八所内部的情报，专案组对八所的人员进行了评估，发现工程师张铨有重大嫌疑。然而就当要对其采取行动时，突报张铨死了。经现场勘查，张铨的死是因为吃了有毒的苹果，而苹果是工程师李玉所送。但就在国安将对其进行讯问时，李玉又突然中风，生命垂危。根据调查，李玉在案发时间内不在现场，他不可能是杀害张铨的凶手。据目击者反映，在张铨死亡前后时间内还有其他三个人到过张铨家。专案组对这三人进行了讯问。三个人在张铨致死的毒素有效时间内都去过张铨家，而且都接触过苹果。但三个人对自己去张铨家都做了合理的解释，而且三个人的心理反应都是正常的。案件一度陷入了僵局。
林云飞判断“无面人”的心理上一定会有所反应，但三个人当前的表现，让林云飞甚是不解。此时技术部门报告，苹果中的毒素只能保持一个小时。而这三个人在此期间都不在犯案现场，难道还有第四个人？通过对目击者的再次询问，确认此间只有这三个人去过张铨家，绝没有第四个。林云飞分析可能是这三个人中的其中一人中途返回来过，洪处长从外线的调查中也证明，“无面人”就在这三个人当中。这时接到上级情况通报：所失机密文件可以通过卫星自动发射，而不用人工操作。这使林云飞想通过时间的迫近，观察三人心理变化来判定嫌疑人的设想失败。正当林云飞一筹莫展之时，小曹报告工程师李玉苏醒了，董智超无奈的表示，如果张铨也被救活就好了，这句无意的话提醒了林云飞，他决定假称张铨已被救醒，以此来测试三人的心理变化。此举很奏效，吴成在心理上产生了重大的变化。这时又传来消息，注射毒素的针管被找到了，在强大的心理压力下，加上林云飞丝丝入扣的推理，吴成不得不承认了自己就是“无面人”。案件的成功告破使林云飞有些骄傲，洪处长却批评他在破案中违反纪律，并宣布接下来的工作由董智超负责。林云飞失落的回到父母家休息。与此同时，境外间谍头目吉米不甘失败，决定激活长期潜伏的间谍“戴安娜”，执行下一个更加阴险的间谍行动。
父母天天催促林云飞找对象，让林云飞很烦，不能参加破案行动让他更加烦躁，他决定提前结束休假。此时关厅长向洪处长通报吉米没有被解职，可能后面有更大的阴谋。为了保护我侦察员的安全，决定撤回成功打入“马蜂”间谍小组的“乐手”同志，让林云飞负责接应。不料，林云飞与小曹却亲眼目睹了“乐手”被敌人开车撞死的全过程，临终前，“乐手”告诉林云飞要注意“一颗痣”。“乐手”的牺牲证明了吉米正在策划一项重大的阴谋，从“乐手”留下的二胡中，也找到了敌人下一步的行动计划叫“终极目标”行动。乐手的牺牲激起了广大侦察员的愤怒，他们迅速采取行动，一举破获了“马蜂”间谍小组。“乐手”临终遗言让林云飞像着了魔，他着手调查“一颗痣”，洪处长批评林云飞捕风捉影，责令他停止这种无用的调查。林云飞很是不满，认为洪处长故意跟自己过不去。林云飞接到了同学聚会的请帖，在聚会上，他遇见了多年不见，目前在国外发展很好的同学王跃龙。听到林云飞对自己现状不满，王跃龙主动邀请林云飞出国跟自己干，而且态度非常的诚恳和急切。这引起了林云飞的怀疑，他让小曹私下帮助调查王跃龙的情况。
抱孙子心切的父母，瞒着林云飞在省城给他买了新房子，林云飞急忙赶到新居，埋怨父母不和自己商量，话未说完就接到洪处长的电话，让他赶快赶回处里。洪处长批评林云飞没有吸取上次的教训，再次违反纪律，私自调查王跃龙，让他写出深刻的检查。林云飞心情不悦的回到新居，不想遇上父母为自己介绍的女朋友宋小菲，意外的发现她的脸上有一颗痣，顿时一愣。为了向父母掩盖自己的真实身份，林云飞假装与宋小菲相处。父母看到此景，放心地走了。林云飞刚送走父母，洪处长又单独地召见了林云飞，告诉他吉米的行动目标是针对我国的火箭计划，让林云飞负责动力所的安全保卫行动。在对动力所有关人员进行排查中发现，负责火箭燃料样品测试的袁知方总工身边最近有个女人对他特别关心，似乎像是在谈恋爱。因为动力所是国家的重点科研单位，而袁工从事重要的科研工作，密级很高，间谍多次想打动力所的主意，所以钟所长向洪处长反映了这一情况。果然不出所料，此女正是间谍分子，她利用自己的色相接近袁工，罪恶之手已伸向袁工存有重要科研资料的电脑。
当神秘女人用药迷倒袁工，把手伸向袁工的电脑时，侦察员突然出现，当场将其抓获。经审讯，她交代了自己从事间谍活动，代号“戴安娜”。根据实际情况分析，专案组认为此人不可能是吉米的王牌，这可能又是吉米耍的花招。案情分析会上，关厅长领来一个年轻的女侦察员石慧，并宣布她为新科长，负责这次侦破行动。这引起了林云飞和董智超的不满，并对其冷嘲热讽。石慧不为所动，对侦察计划提出了自己的想法：对动力所这样的重点单位，应派侦察员用掩护身份进入，进行贴近侦查，并推荐林云飞执行此任务，让林云飞很感意外。为了全身心地完成这次任务，林云飞向宋小菲提出断绝来往，这让宋小菲很伤心。林云飞以所办副主任的身份进入了动力所，他的身份只有李书记一人知晓。钟所长要出差，临行前叮嘱林云飞照顾好负责测试工作的袁知方。林云飞利用副主任的身份，对动力所的重要人员和重点部位进行了严密的排查，没有发现任何可疑之处，动力所的安全保卫措施也没有明显的疏漏。但专案组从特殊的渠道得知，动力所的一份机密的研究计划已泄露到境外，洪处长非常的生气，林云飞也感到很自责。为查清此案，石慧等人来到动力所，向袁知方了解情况，不想袁工非常激动，突然病倒了。
林云飞陪袁工回家休息，意外遇到了TTC公司董事长金梦前来探望。经了解，金梦是袁工的学生，与袁工是私交，案发时她在国外。她接触袁工很可能是想利用袁工的儿子科技局长袁宇，发展自己的事业。由于袁工的关系林云飞与金梦有了接触，一次陪袁工打网球时，林云飞意外地发现金梦手臂上也有一颗痣，引起他的注意。金梦很看重林云飞有“副省长亲戚”的特殊背景，想请林云飞去TTC公司工作。石慧对金梦的背景身份也有疑虑，让林云飞继续接触金梦。一个星期过去了，案件却毫无进展。石慧提议对动力所进行一次全面的安全检查，来打乱敌方的步骤。检查结果让所有人大吃一惊：由袁工保存的K1样品被人动过了，袁工心急如焚，突发心脏病，住进了医院。通过技术检测，作案现场没有外来人员作案的迹象。林云飞分析，袁工说过在新样品和旧样品对冲的时候会有损耗，而三天后要有新样品送到，所以，有可能是懂技术的内部人作案，而且把目标锁定在了陆工身上。经多方调查和特殊的技术探测，证实陆工不可能出现在作案现场，作案者另有其人。
经排查和技术鉴定，排除了所内所有能够接触此重要科研资料人员作案的可能，除袁工已被助手证明案发当时他一直在测试室以外，没有任何所内人员进入案发现场的迹象，专案组都很着急。在案情分析会上林云飞提出了一个非常大胆的设想，很有可能是袁工监守自盗，并说明自己发现最近袁工的一些异常举动。此言一出遭到大多数人的反对，特别是洪处长。林云飞赶回医院继续看护袁工，他无意中发现袁工对儿子很反感，两人还在病房里吵了起来。联想到袁工一些异常的行为，林云飞又开始了对袁工进行私下调查。据可靠情报，失窃文件可能从机场流出。为了防止样品外流，洪处长命令对机场进行检查，全力防范样品出境。此时技术部门报告，案发现场有两只猫的猫毛，而林云飞清楚记得案发前后，袁工家除了自养的猫以外，还收留了一只流浪猫。这证明在案发时袁工去过现场，而不是他说的这两天根本没有进过案发现场。林云飞再一次向洪处长汇报了这一特殊情况，并报告发现袁工有过分迁就儿子的弱点。但洪处长不听林云飞的建议，严令按计划行动。林云飞认为这是一个重要的情况，对此案很可能时一个重大突破。他直接向关厅长作了汇报，关厅长听取了林云飞的建议，决定对袁氏父子进行调查。果然在袁宇身边发现有一些神秘的女人，袁宇的秘密情人—模特于莉娜十分可疑。
通过对于莉娜的电话跟踪，又有两个神秘女人露出水面，一个是袁宇的保姆李小曼，另一个就是美容院老板谢韵。经查，此三人都有国外的经历，存在重大间谍嫌疑，而谢韵开设的美容院很可能是他们的秘密联络点。专案组决定进入美容院进行侦察。林云飞与石慧化装成某时尚杂志的专业人员，假借要为谢韵做一个专访，来到了美容院。趁林云飞等为谢韵拍照之际，侦察员小曹进入美容院的贵宾室安装了监控设备。狡猾的谢韵几次借机对贵宾室进行了反侦察，在董智超的技术配合下，几次化险为夷，但情急之下，小曹放错了贵宾室的风沙物。石慧急中生智假装头疼要借用谢韵的贵宾室，谢韵无奈地答应了，林云飞趁机放回了风沙物。经过监控和多渠道收集的情况分析，吉米的王牌“戴安娜”，实际上可能是一个由美女组成的间谍小组，谢韵是这个小组的领导者。他们掌握了袁工爱子心切的弱点，利用袁宇出国考察之际，拉他下水，让袁宇逼迫袁工成功地窃取了K1样品。根据所掌握的情况分析，他们很有可能利用袁工再次作案，窃取K2样品，通过特殊渠道将双K样品偷运出境。此时袁工也强烈提出要出院，而新样品两天后也要送到动力所。专案组决定将计就计，让袁工出院参加新样品的测试。
自觉得有愧于儿子的袁工，为了保住儿子的前程，在袁宇的苦苦央求之下，答应了儿子的要求，准备对K2样品下手。他借口对K1样品室有心理障碍，要求与杨工调换测试场地，进入了K2样品室。当他伸手窃取K2样品时，一下子愣住了。回到家里袁知方告诉袁宇K2样品是假的，国家安全部门已经发现了他们的活动，让袁宇好自为之，并吞服了毒药。临终前向袁宇说出了他之所以这样做，一是为了儿子，另外还受到一个人的威胁，并告诉袁宇那个人的名字，这一幕都被监控器前的林云飞看在眼里。专案组果断采取行动，抓捕了袁宇，在对其审问中得知K1样品已交给了谢韵，此致“戴安娜”小组的情况已基本清楚，专案组迅速对“戴安娜”小组采取抓捕行动，但他们似乎得到了告警，谢韵服毒自杀，并毁了自己的电脑；于莉娜和K1样品不知所踪；只抓住了保姆李小曼。专案组对于莉娜全力追踪，并在她即将上飞机之时，将其抓获，在于莉娜的假发里搜出了藏匿的K1样品。经过检测，却发现搜获的K1样品只是失窃的一半。于莉娜交代他们背后还有一个神秘的男人在指挥，那一半样品在他手里。这个男人会不会是袁工死前对袁宇说的那个人，林云飞与石慧再次提审了袁宇，让他说出那个人是谁。不想，袁宇却百般否认知道谢韵的上级是谁，也没有听清袁工对自己说过的那个人的名字。
