1941年,日本天皇製定了以北京猿人頭蓋骨為核心...的特種作戰計劃,欲將北京猿人頭蓋骨化石占為己有,因此一場圍繞頭蓋骨化石爭奪與掩護的秘密戰爭就此展開。
我地下黨員周大海與劉雲翔接頭,準備回京實施掩護頭蓋骨的計劃。可周大海的行蹤被叛徒阿三出賣,他們遭到日本特務...的圍攻,生死關頭劉雲翔掏槍假裝打死周大海後再設計掉包將其救出。劉雲翔就此背負上了殺害共產黨人的叛徒罵名。日本人覬覦北京人頭蓋骨的消息不脛而走,國民黨北平行動組組長肖斌用仿製頭蓋骨設下圈套,設計讓飛賊草上飛偷走假頭蓋骨來謎惑敵人,不虞行動過程中卻被劉雲翔-的父親,科學家劉昭發現。軍統特務王四易擔憂整個計劃原形畢露,毅然決然地槍殺了劉昭。
劉雲翔奔喪回北平,誓要查清真相,並懸賞被盜-的頭蓋骨從而尋找父親被害的蛛絲馬跡。
王四易暗中協助地下黨員梅芳,以自己偽警察偵緝隊長,的身份救出幾個地下黨同誌後獲得了梅芳的信任。同時梅芳和高明遠認為劉雲翔有叛徒嫌疑,要將其找回審問。
草上飛在寺庫原形畢露。寺庫老板隨即派人跟蹤。日軍情報頭目佐佐木來找死囚鐵頭,因為鐵頭乃是草上飛先前所在幫派“飛龍幫”...的老大,佐佐木欲利用其母親-的性命來挾製鐵頭為天皇賣命。王四易在寺庫老板那兒獲得草上飛的消息,先行一步捉住了草上飛後通知劉雲翔。