一阵刺耳的电话铃声将林云飞从睡梦中惊醒，电话中传出副科长董智超急促的声音：“八所秦工程师在火车站丢失了装有重要科研项目的机密文件包，此事引起上层的高度重视，你速赶到铁路公安局。”林云飞与侦察员曹阳驱车赶到铁路公安局时，董智超告诉林云飞，公安已经破案了，是一起普通的盗窃案，让林云飞与公安做好收尾工作。林云飞在观看对小偷的审问录像时，发现了破绽，并迅速报告了处长洪子城。有着丰富侦破经验的洪处长敏锐意识到这很可能是一件间谍案，决定接手此案，并迅速采取了措施。在对八所的有关人员进行甄别排查时，发现张铨有重大嫌疑，就在将要对其进行询问时，张铨突然被杀。在对现场进行勘查和对目击证人询问后，拘留了三个可能杀害张铨的嫌疑人，并对其进行了审问，但三人的表现都似乎符合逻辑，也没有杀害张铨的理由。此时上级通报，失窃情报可能在48小时内通过卫星自动发射。时间一分一秒地过去，案件毫无进展。林云飞提出了一个大胆的想法……
就在失窃情报即将自动发射的关键时刻，林云飞运用特殊的侦察手段，使代号“无面人”的境外间谍分子不得不低头认罪，外线侦察员也成功地截获了失窃情报。正当大家庆贺胜利时，传来一个意想不到的消息：本市的另一个国家航天重点科研机构——动力所的重要科研计划已经被泄露到了境外……
在案情分析会上，关厅长带来了年轻的女侦察员石慧，并宣布她为侦察科新科长，具体负责专案组的侦破工作。这让两个铆着劲的副科长林云飞和董智超很不解。为了便于侦破此案，处里决定派林云飞以动力所办公室副主任的身份进入动力所，进行跟踪侦察。林云飞利用办公室副主任的身份对全所的重要部门、重点部位以及重要人员进行了细致的检查，没有发现任何可疑情况。此时石慧提出对全所进行一次全面的安全检查，不想发现火箭燃料K1样品少了，而且毫无线索。林云飞非常自责在自己眼皮底下K1样品丢失，回想在动力所的每个细节，一个重要人物也出现在自己的眼前，林云飞提出了一个让人不敢想象的大胆设想——可能是动力所工程师袁知方监守自盗。经过严密的侦察、分析，证实了林云飞的想法，袁知方为了儿子，不得不违心地做出了危害国家的行为，其背后一个代号为“戴安娜”的境外间谍小组浮出水面。专案组果断出击，抓获了间谍嫌疑人，并在机场截获了K1样品。在对样品进行检验时，发现K1样品少了一半……
“戴安娜”背后一定还有更危险的人物，这个人是谁成了破案的关键。随着侦察的进一步深入，一个神秘女人出现在侦察员的视线内。此人就是与林云飞有过交往的TTC公司董事长金梦。据查金梦在国外加入了A国间谍组织，利用我国改革开放之机，在本市成立了TTC公司，其目的就是窃取我国的高科技情报，这个TTC公司很可能就是境外间谍组织设立的重要场所。而金梦对林云飞有“副省长”亲戚的特殊背景很感兴趣，正力请林云飞到TTC公司工作。针对这一情况，石慧建议派林打入TTC公司，近敌侦察。
境外间谍组织指示金梦对林云飞进行了严密的考察，甚至采用进行刺杀石慧来考验林云飞。在石慧等侦察员的密切配合下，林云飞逐个化解了一次又一次的危机，也逐渐取得了金梦对自己的信任，只是负责组织安全的王跃龙对林云飞仍不放心。正当林云飞在TTC公司逐渐顺利展开工作时，动力所的火箭燃料样品K2配方又被窃取了……