1941年，日本天皇制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保護的秘密戰爭就此展開。

我地下黨員周大海與劉云翔接頭，準備回京實施保護頭蓋骨的計劃。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，生死關頭劉云翔掏槍假裝打死周大海后再設計掉包將其救出。劉云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制頭蓋骨設下圈套，設計讓飛賊草上飛偷走假頭蓋骨來謎惑敵人，不料行動過程中卻被劉云翔的父親，科學家劉昭發現。軍統特務王四易擔心整個計劃暴露，毅然決然地槍殺了劉昭。

劉云翔奔喪回北平，誓要查清真相，并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志后獲得了梅芳的信任。同時梅芳和高明遠認為劉云翔有叛徒嫌疑，要將其找回審問。

草上飛在當鋪暴露。當鋪老板隨即派人跟蹤。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要挾鐵頭為天皇賣命。王四易在當鋪老板那兒得到草上飛的消息，先行一步捉住了草上飛后通知劉云翔。