1927年，在北平郊外周口店发现了北京猿人头盖骨化石，这一发现标志着人类文明史从此向前推进了50万年，中国人无不为之自豪。日本军主义为了从精神上摧毁中国人的抗日斗志，裕仁天皇亲自下令，欲将北京猿人头盖骨化石占为已有，一场争夺与保护头盖骨化石的斗争就此展开了。

上海街头刘云翔要去咖啡厅和地下党同志周宏接头时被人盯上，日本人也为拿到头盖骨化石而展开行动，刘云翔得知日本人的企图后准备回医院请假，周宏交待刘云翔说遇害到问题时打3465电话找高经理，还说出联络暗号，刘云翔有些担心那个司机赵亮。周宏从咖啡厅里出去时被人开枪打伤腿部，刘云翔回头看到他要自杀时就开枪将其打伤，他还亲自为他动手术将子弹取出来，他向德国领事汉斯解释说在咖啡馆和大海做生意，还拿出证据给他们看，刘云翔是卡尔最好的朋友。查理造了一个假头盖骨来对付日本人。

德国领事汉斯让人将特务赶走，刘云翔趁机调换了周宏的身体，并将他塞入汉斯车内。刘云翔知道卡尔在苏联前线，卡尔是汉斯的儿子，汉斯希望他和刘云翔都要好好地活着。汉斯车在路上被袭击，着火后汉斯和刘云翔分别离开。科学家刘昭在晚上被王四易开枪打死在医院，他死前抓住了凶手身上的玉坠。刘昭是刘云翔的父亲，王四易要找到草上飞并拿到头盖骨。

北京人头盖骨被窃的事情上了报纸，刘云翔看完报纸后得知他父亲已死，周宏向老宋了解后知道刘云翔回北平了，老宋还将刘昭之死说出来，他担心刘云翔回去后很危险，于是让老宋贴出告示。滚刀肉在争夺拉车地盘，荣昌车行的麻七和他争吵起来，周玉琴让他们不要乱动。王四易将刘昭被杀的事情汇报给日本人，日本人得到了刘昭手里的玉坠，他们准备见一下飞龙帮的老大。日本人找飞龙帮的铁头帮忙找人，还拿出那个玉坠。

飞龙帮的草上飞将偷出的头盖骨拿给二哥看，还说有人要用枪要他的命，他担心自己去换钱时被灭口，草上飞只想换个能换钱的东西把它换了，然后远走高飞，他将东西交给二哥保管。梅芳找到她哥刘四易发起脾气，刘四易感觉对不起刘叔，周玉琴等了刘云翔四年，她比他大三岁，还要找车夫们寻找线索，周玉琴将刘云翔要回北平的事情说给刘四易，刘四易要去接他。刘四易接到刘云翔后说周玉琴将他爹已经接回去，然后刘四易去找典狱长打点。

上海地下党组织也在筹划夺回关盖骨之事，喜子悬赏五百大洋让京城五大车行捉拿凶手，刘云翔到家后跪在父亲灵堂前，周玉琴也发誓要找到凶手，刘云翔要将灵堂搬回家中，周叔答应让他搬。刘云翔要悬赏一千大洋寻找头盖骨，周叔答应出钱。刘云翔将他爸转到中美医院，他知道大哥王四易负责案件，两人小时候结拜过兄弟。

王四易试图加入共产党组织，他还营救过几个监狱中的俘虏。刘云翔联系上了高明远并说出暗话，周玉琴一心要当刘云翔的媳妇，她在他面前表现的很自信。地下党组织准备对刘云翔进行抓获并审问，他们还猜想可能是日本人所为。周玉琴从钱庄拿走一千大洋，高明远向周叔汇报情况，他问出了刘云翔家的住址。

草上飞带着头盖骨找到王老板，王老板得知他的来意后有些吃惊，王老板等他走后命人紧跟他。查理向刘云翔表示难过，刘昭是他最好的朋友，他介绍秘书毕晓云和刘云翔认识，刘云翔是他最好的学生，他提出要和查理老师单独谈一下。查理亲自给刘昭做的手术，刘云翔感觉到凶手的残忍，查理感觉对不起他，原本头盖骨是放在中美医院地下室的保险柜中，只有查理知道刘昭将头盖骨拿出来研究，王四易也是他告诉的。

谷田一让铁头去找草上飞，铁头是北平城的贼老大，他老母亲被日本人抓住做人质。铁头从妓院中打听到草上飞的遗迹，高明远见到了刘云翔并记住了他的车牌号。周玉琴向刘云翔说起草上飞偷走了头盖骨，她有他的消息会通知他。刘云翔看到了父亲写的日记，他一直在等他凯旋归来。

王老板向王四易说起草上飞的下落，王四易找到草上飞后向他逼问头盖骨的下落，草上飞挨打后只好交待，王四易见他要反抗时开枪将他打死。刘云翔也带人去了草上飞那里，他到后见到草上飞已经被王四易杀死。刘云翔没离开，他要留下来找证据并寻找头盖骨的下落，还要和王四易一起找，日本宪兵突然到来也要插手此事。王四易回去后将案情汇报给佐佐木，佐佐木要对刘云翔进行询问，他看出他很疲惫，佐佐木还将那块表还给刘云翔。

佐佐木当年曾被刘昭救过一命，他让谷田一出去后和刘云翔谈起来，还让刘云翔近期不要离开北平，刘云翔留下来要办理父亲的后事，佐佐木让他离开并要在刘昭下葬时过去送行。佐川命谷田一去查一下刘云翔在上海背景。刘云翔猜出佐佐木怀疑他是抗日份子，还有意观察了他的手，刘云翔看着那块表上的时间想起了父亲的话，那是他在德国留学时买给他的，王四易不希望刘云翔插手此事，刘云翔答应听他的安排。

王四易劝刘云翔尽快和周玉琴结婚，他清楚铁头是草上飞的大哥，他也不清楚头盖骨的下落，还知道铁头是大孝子。刘云翔看到报纸后很生气，刘昭被当成监守自盗之人，刘云翔从薛叔那里知道他爸的那块儿表一直放在书桌上，他明白了。周玉琴找梅芳谈事，王四易借故离开，刘云翔拿着报纸去找北平晨报的地址，王四易带他过去，他们找到写报纸之人，王四易还让报社的人按他说的去做，刘云翔向报社问起头盖骨之事。

刘云翔和王四易去了那家茶馆，之后他们去了郊外，刘云翔对王四易提出怀疑，还拿出那块怀表，他对他越来越看不懂，刘云翔知道查理和王四易两人知道头盖骨被取出之事，还认为是王四易指使草上飞所为，王四易看到怀表后试图进行掩饰，他要查清楚之后再和刘云翔商量如何来办，王四易的话让刘云翔相信他，他不让他再追查头盖骨，但刘云翔坚持要追查下去。铁头在监狱中见到她妈，他从他妈那里知道老二当了和尚。刘云翔回家后和薛叔商量，他接到高先生的电话后准备开着黑色雪佛兰轿车过去。

铁头和他妈依依不舍地分别，他让她好好等着自己。佐佐木给铁头五天时间找到头盖骨，铁头出去后让车夫满街转，他知道后面有人跟踪。铁头将跟踪的人打晕后离开，梅芳的化妆术有所提高，组织上对她提出表扬，她将周玉琴过来之事说出来。梅芳得知来接头的人是刘云翔，高明远要将他的车引开，然后让梅芳去安全屋。高明远在街上替刘云翔挡了黑枪，梅芳看到后很吃惊，刘云翔急忙开车逃走，但是很快被日本人围上。

铁头找到当和尚的二弟空明。王四易看出被击毙和人是和刘云翔接头的，刘云翔被日本人带走。佐佐木根据分析后得知那人要杀刘云翔，高明远的身上没任何证件，但他身上的那颗子弹有些蹊跷，还判断杀手应该是军统的人。王四易找佐佐了解刘云翔车上死人的情况，他们准备一起去询问刘云翔，刘云翔将接到电话的事情说出来。空明将草上飞拿出的头盖骨让铁头看，铁头让他把东西藏好。

王四易认为杀草上飞的人可能是飞龙帮所为，刘云翔将前些天在上海杀死一个共产党的事情说出来。佐佐木让王四易好好干工作，他判断出死的人是职业特工，谷田一建议拷问刘云翔时被佐佐阻止，他们证实了刘云翔曾杀死过一个共产党的头目。王四易证实了死在刘云翔车前的人是高明远，军统的人已经找到了铁头的下落并监视之中。

铁头在妓院里找人准备救出他妈，他这才得知他妈被转移。刘云翔说自己是误杀了共产党的人，佐佐木让他回去好好想一下，梅芳一直在暗中跟踪刘云翔，她在他身上扎了一刀，当刘云翔看到日本人后让梅芳赶快走，佐佐森让谷田一送他回去。刘云翔和梅芳曾在战地医院相识，他们都认出了对方。田谷一在车上看出刘云翔很累，他让他开车走近路回家，刘云翔不想让他发现自己身上有伤。刘云翔等谷田一走后倒下，薛叔慌忙将他扶到屋中包扎，幸好刀扎的不深。

梅芳也扮作叫花子模样，王四易见到她时发现她晕倒了，等梅芳醒来说被打死的周明远是自己同志，王四易想给她安排一个安全的地方躲藏起来，她要找到证据来证明自己不是叛徒。刘云翔让薛叔追回周玉琴，他说是草上飞的人来报仇的，周玉琴称她有了线索，还说起铁头在望春楼。佐佐木让田谷一调查王四易，他感觉他表面是装出来的，对于刘云翔的身份让也他很感兴趣。

薛叔明白刘云翔的意思，他清楚该如何来办。周玉琴找到王四易说她要报案，她将刘云翔被扎之事说出来，王四易这才知道铁头的下落，还让周玉琴不要再回刘家。谷田一发现了刘云翔车上血后汇报给佐佐木，佐佐木看出刘云翔中了刀伤，谷田一看出那个乞丐是女人，他们去了刘云翔家中。梅芳扮作男人模样来到刘云翔家附近，她让两个小孩儿用弹弓引开刘云翔家门前的看守后进入刘云翔家中，她自称是刘云翔的朋友。梅芳进屋后看到刘云翔躺在床上，她摘出眼镜后被他认出，梅芳要拿着枪让刘云翔跟自己走，他让她相信自己，薛叔从背后将梅芳打晕，他将把日本人到来的事情说给刘云翔，刘云翔让他先拖住他们。

刘云翔见佐佐木和谷田一到来后出门迎接，他们要去他的卧室查看，刘云翔将他们请进去，佐佐木看出他很虚弱，还谈起昨夜之事。刘云翔面对质问只好说出晚上被乞丐扎伤之事，他正当无话可说时周玉琴来到，刘云翔趁机将扎伤他的人责怪到周玉琴身上，还说要退婚，周玉琴面对佐佐的提问应对自如，她和刘云翔在佐佐面前演戏，这让佐佐木和谷田一只好相信，佐佐木让谷田一送周玉琴回去，他让刘云翔进卧室里。王四易让监视铁头的人撤退，他进去后盯着铁头的房间，王四易清楚佐佐也派了三个人盯着。

周玉琴回家后感觉头晕，她爹猜出是刘云翔出事了。薛叔知道高梅芳是高明远的妹妹，刘云翔让薛叔将她送出去，在没人的地方将她弄醒，还把她的枪也还给她。高梅芳醒来后从薛叔那里了解是刘云翔让他把她带这里的，薛叔走前对周梅芳提出警告。佐佐木对刘云翔感觉头痛，他看出周玉琴是真哭真闹，谷田一将送她的问话也讲出来。

佐佐木收到电话后知道王四易进了望春楼，他命谷田一过去，还担心铁头的安全。铁头对王四易称他没找到头盖骨，王四易猜出他是想救出老母，他想知道头盖骨的下落，铁头认为王四易的到来是日本人的试探，还说没找到头盖骨。铁头根本没想跑，王四易将铁头引到窗外时险些被军统狙击，谷田一开枪打乱了军统计划，铁头还是逃走。

佐佐木和谷田一来到望春楼向王四易询问关于铁头的事情，王四易对铁头之事进行解释，佐佐木要赶到杀手之前找到铁头，他不让王四易再管此事。周玉琴让大喜将望春楼的事情告诉了刘云翔，他是装成收粪的进去的，刘云翔让他传信出去说铁头要把头盖骨卖给日本人。杜老板派人去找刘云翔，来人出钱从八爷那儿买来消息，他拿出云出头的铁牌，它只能用一次。铁头师叔找到他，飞龙帮有人出一千块大洋要他的命，铁头师叔也是为头盖骨而来，他正是薛叔。

薛叔回去后将情况告诉了刘云翔，他看出铁头很孝顺。王四易怀疑高梅芳和刘云翔以前就认识，她不承认，她要抓到刘云翔后交到组织上，王四易答应帮忙还让她赶快转移。周叔指责王四易，还让他赶快走，周玉琴不理解。薛叔将刘云翔让他交给王四易的纸条拿给他，佐佐木拿到了王四易的资料。刘云翔见到佐佐木后说他知道铁头在哪儿，佐佐木明白他的意思是想用铁头妈来换取情报，但他要求见到铁头。

刘云翔请求佐佐木不要再抓铁头，佐佐木称他有很多办法让他交出铁头，他最终还是让谷田一带出了铁头的母亲。刘云翔和佐佐木去了他家，王四易看出刘云翔的意图，刘云翔让薛叔带铁头妈去后面休息，刘云翔称家里只剩下他和薛叔两人，他以上楼休息为名让佐佐木将他的人隐藏好。佐佐木看出刘云翔的目的是想让铁头来找他，刘云翔承认了，他知道铁头肯定会来。

刘云翔对佐佐木并不信任，还怀疑是他指使草上飞那样做的，刘云翔想让日本人在报上声明此事，他不是佐佐木想象中人。王四易去了胡同口等铁头，谷田一听到杯子碎的声音后进屋查看，他让薛叔带她去厕所，佐佐木让刘云翔为他工作，他要将铁头带走时听谷田一说她自杀了，谷田一看到了她手中的杯子碎片，佐佐木命人封锁消息。铁头出来时被王四易拿枪指住，王四易向他逼问头盖骨的下落，铁头知道他妈已经死，他已经没有牵挂。

铁头妈在厕所中见到他，他亲眼见他妈死去，她在死前将头盖骨的位置告诉了薛叔，薛叔趁机告诉了刘云翔。王四易让人在他没回来之前不要杀铁头，刘云翔不能看国宝落在日本人手里，这也是他爸的遗愿，他会想办法脱身，薛叔和铁头妈的交谈是通过唇语完成的，铁头妈死前让他去霁去寺找空明和尚。

高梅芳找到喜平说赚钱的方法，她想通过她来打探消息。周玉琴找人弄来石麻散放在菜中，她想将刘云翔救出北平，车行对她无关紧要。麻七按周玉琴的说法去骗周掌柜的时候被识破，他知道她肯定去找刘云翔了。田谷一在刘云翔床前守着，周玉琴带着吃的去看望刘云翔，还拿着大洋买通了门口的看守。王四易通过秘道来到刘云翔家中，薛贵看到周玉琴送来的菜，等她走后薛贵看到她留下的字条。

薛贵看完字条后要将菜扔的，看守看到后叫外面人过来一起吃。谷田一听到楼下水声后出去查看，刘云翔趁机将头盖骨的消息告诉了王四易，王四易赶往霁云寺找空明和尚。谷田一紧盯着刘云翔不放，王四易趁机离开他家。谷田一看到看守在吃菜时刘云翔和薛贵也尝试一下，薛贵将周玉琴的情况说给刘云翔。

刘云翔让薛贵要不蛮干，王四易回去时发现老肖被铁头打晕，铁头抢走了他的枪后离开。周掌柜在刘云翔家外找到周玉琴，他们看到特务们换班了。八爷将刘云翔家的住址拿给赵亮，赵亮只想替周宏报仇，他想杀死刘云翔，八爷同意把枪借给他。王四易找到了空明和尚后说是铁头让他来的工，还拿出五百大洋，空明说东西在后山的神仙洞中。刘云翔将王四易去取头盖骨之事告诉了薛叔，王四易在神仙洞中找到了他。