1948年5月18日，身为中共中央领导人之一的毛泽东在河北城南庄的临时住处遭敌机轰炸。这是国民党特务纪日辉报告给保密局局长毛人凤的结果。不久，纪日辉的同学彭来峰发现了毛泽东和中共中央在西柏坡。打入毛人凤身边的共产党员佟汗青请缨前去西柏坡刺杀毛泽东。毛人凤对佟汗青怀有疑虑，要佟汗青同意女儿佟长缨来保密局工作。佟汗青粉碎了彭来峰阴谋。彭来峰逃走。毛人凤对佟长缨谎称其父被共产党杀害，派贴身保镖孙力跟她去接她家人，却暗命纪日辉派人杀害了她母亲、弟弟。佟长缨看着惨死的至亲，发誓为亲人报仇，认毛人凤为义父。
中华人民共和国建立不久，党中央决定：毛泽东前往苏联访问。潜伏在北京的纪日辉派未婚妻韩雨萍从其姐姐韩雨莲笔记本获悉这一情况，电告毛人凤。但这个电报被中央情报部破译。已担任北京市公安局副局长的佟汗青受命破案。
毛人凤部署北京的纪日辉、吉林的江立鼎、刁衡义等人，相继确定9套刺杀方案。纪日辉手下黄连喜三套：利用手下特务在永定门火车站当库管员，欲在毛泽东到达月台时刺杀;若毛泽东从西直门火车站上车，就在永定门车站炸专列;还准备在近郊炸铁道;王尊骗取了彭来峰的诡计，要炸2号铁路桥，还想利用道岔制造专列颠覆事故。吉林方面：刁衡义孤注一掷炸14号铁道涵洞;江立鼎要炸铁道偷袭、由检修工将定时炸弹放上专列、由火车司机将定时炸弹带上新换的车头。毛人凤还想派佟长缨去北京执行任务，因故未能成行。
佟汗青与侦讯处处长韩雨莲部署人马，终于发现了纪日辉，但没想到，韩雨莲的妹妹韩雨萍会是纪日辉的未婚妻、同伙。佟汗青把毛泽东出发时间2月6日说成2月4日，借韩雨萍之口向纪日辉传达错误信息。
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特殊行动剧照。
经过北京、吉林两地公安人员努力，敌人九套方案实施五套均失败。北京的纪日辉发现被跟踪终止了黄连喜一伙行动，另一部下王尊及同伙被消灭;吉林的江立鼎整个特务组织被吉林省公安厅摧毁，仅有江立鼎带着副官萧琦等人漏网;刁衡义没敢动手。另有彭来峰在北京炸铁路桥失败后逃到老家长春，仍发誓要做当代“荆轲”。
毛人凤决定在毛泽东归途再行刺杀，命江立鼎前往内蒙古大兴安岭，拉拢土匪头子马荣生，组建“救国剿共独立旅”，在毛泽东专列通过兴安岭隧道实施爆炸。由于马荣生对江立鼎并不看重、信任，毛人凤取得福克斯帮助，用美机将佟长缨和孙力空投到吉林，先见刁衡义，然后去大兴安岭。
我情报部破译了毛人凤的电报。吉林省公安厅副厅长雷达、侦讯处处长华长河将空降落地的佟长缨、孙力抓获。佟长缨面对日思夜想的恋人华长河横眉冷对，见到父亲佟汗青方才醒悟。她和佟汗青一起感化、教育过来孙力，与孙力打入特务内部，由塔云飞、乔玉龙在附近接应。
佟长缨见到江立鼎、马荣生，经受住盘查、考验，获得信任，共同制定了刺杀毛泽东的6套方案。她利用江立鼎、赫山虎及马荣生压寨夫人白素娟与马荣生的矛盾，将马荣生除去，改由赫山虎任旅长，然后想趁着赫山虎与白素娟成婚，与父亲带来公安部队里应外合，消灭这股顽匪。不料，公安部队被回山的土匪发现，报告赫山虎。赫山虎将佟长缨和江立鼎等人抓起来，杀了江立鼎，经佟长缨和白素娟等人劝说，率众投降。
吉林的彭来峰和刁衡义已制定7套刺杀方案。佟长缨以江立鼎名义发报给毛人凤得到批准，来到长春检查督导行动，电令刁衡义、彭来峰来见，刁衡义却派人接她到他的老巢。佟汗青与吉林省公安厅公安人员跟踪而至。此前，华长河已打入彭来峰身边。彭来峰认出跟随佟长缨而来的塔云飞、乔玉龙是共产党人，向表舅刁衡义告发，将佟长缨等缴械。佟长缨沉着应对。华长河故意露出破绽，使刁衡义对他和彭来峰产生怀疑。彭来峰向华长河开枪，道出华长河和佟长缨是恋人。刁衡义不好判断，要佟长缨枪杀已负重伤的的华长河。华长河大叫“大丈夫岂能死于女人之手”，咬舌自尽。佟长缨见他血流如注，毅然开枪，随即击毙了彭来峰，然后迫使刁衡义下令投降。
萧丽凰受毛人凤派遣到北京指导纪日辉一伙行动。她与纪日辉制定6套刺杀方案。她判断毛泽东回来将在西直门火车站下车，欲在此突袭，借助已委身的表哥何云柱，拉拢、收买西直门火车站副站长郎仁杰。在遭到郎仁杰拒绝后，她命何云柱绑架了其子郎明。韩雨萍终于醒悟，把纪日辉、萧丽凰的阴谋告诉姐姐韩雨莲。佟汗青决定收网，抓捕了纪日辉及其同伙，萧丽凰却失踪。在毛泽东专列到达北京的前两个多小时，萧丽凰出了站前宾馆，来到郎仁杰办公室，要他在毛泽东专列到达车站前，把她带上月台行刺。佟汗青、韩雨莲等人走出内室。萧丽凰抽枪反抗，被韩雨莲抢先开枪打死。
1950年3月4日，毛泽东专列顺利抵达北京。
佟长缨前往长春，在华长河墓前立碑，上刻“华长河烈士浩气长存 妻佟长缨敬立”。与此同时，佟汗青和韩雨莲来到重庆歌乐山烈士墓前献花。佟汗青向凯轩在天之灵发誓：一定继承他的遗志，并将像他那样深爱韩雨莲。
