1941年，日本天皇制定了以北京猿人头盖骨为核心的特种作战计划，欲将北京猿人头盖骨化石占为己有，因此一场围绕头盖骨化石争夺与保护的秘密战争就此展开。

我地下党员周大海与刘云翔接头，准备回京实施保护头盖骨的计划。可周大海的行踪被叛徒阿三出卖，他们遭到日本特务的围攻，生死关头刘云翔掏枪假装打死周大海后再设计掉包将其救出。刘云翔就此背负上了杀害共产党人的叛徒骂名。日本人觊觎北京人头盖骨的消息不胫而走，国民党北平行动组组长肖斌用仿制头盖骨设下圈套，设计让飞贼草上飞偷走假头盖骨来谜惑敌人，不料行动过程中却被刘云翔的父亲，科学家刘昭发现。军统特务王四易担心整个计划暴露，毅然决然地枪杀了刘昭。

刘云翔奔丧回北平，誓要查清真相，并悬赏被盗的头盖骨从而寻找父亲被害的蛛丝马迹。

王四易暗中协助地下党员梅芳，以自己伪警察侦缉队长的身份救出几个地下党同志后获得了梅芳的信任。同时梅芳和高明远认为刘云翔有叛徒嫌疑，要将其找回审问。

草上飞在当铺暴露。当铺老板随即派人跟踪。日军情报头目佐佐木来找死囚铁头，因为铁头乃是草上飞先前所在帮派“飞龙帮”的老大，佐佐木欲利用其母亲的性命来要挟铁头为天皇卖命。王四易在当铺老板那儿得到草上飞的消息，先行一步捉住了草上飞后通知刘云翔。