在时光咖啡馆里，国民党保密局南京站二科科长孙立德带领属下将所有的顾客赶走，他们在这里设下埋伏，准备抓捕前来秘密接头的共产党员。

孙立德将一切布置妥当后，李梅也走进了咖啡馆，她是保密局二科侦防组的组长，其实她真正身份是潜伏在保密局内部共产党的卧底，今天她来此要和一名共产党特派员接头，她见孙立德在此埋伏，知道这次的行动已经暴露。

李梅佯装若无其事的走到孙立德面前，与其交淡，孙立德以为她也是来参与抓捕活动的，提醒她做好准备。

不久后共产党的特派员推门进来，当他走到座位上时，才发现到咖啡馆诡异的气氛，他准备转身离开，但已经太晚，服务员把手搭在他肩上，不允许他离开，保密局的人慢慢朝他围过来，他挥舞拳脚和他们展开博斗，保密局人多势重，特派员眼看支撑不住了，李梅暗中帮助他，故意与他交手，实则周旋在保密局的士兵当中，帮助他避开了许多危险，情况紧急，如果他不能在短时间内摆脱士兵的纠缠，一定会被擒住。

李梅急中生智，举起一把椅子向咖啡馆的电源总闸砸过去，咖啡馆瞬间一片漆黑，特派员趁机逃走。

孙立德带人去追特派员，在街上被国民陆军军官高峰的部队拦住，孙立德声称自己是保密局的人，但高峰不信，还将李梅打晕，保密局胡站长乘车赶到，向高峰出示了证件，高峰才为他们放行。

胡站长在单位与孙立德交淡，执行任务当晚李梅的出现使他们产生怀疑，因为胡站长没有通知李梅去参与任务。

李梅被送进医院，胡站长前往探望，李梅从昏迷中清醒过来，但是她却患了选择性失忆症，5月19日在时光咖啡馆发生的所有事她都记不起来。

孙立德调查到5月19日特派员手持一本书前来秘密接头，而他在咖啡馆女厕所发现一本一样的书，他怀疑这本书就是接头的信物，借此他对李梅的怀疑越发加深了。

李梅的父亲是国民党元老，受到蒋介石的眷顾，孙立德想要搜查李梅的家，但是碍于她父亲的这重身份，不便过于冒犯，于是他冒充白蚁防治站的人，面带口罩带着两个人，趁李梅不在家时进入她的房间进行搜查。

特派员程光明与地下党员老郭见面，程光明向老郭透露共产党员林志华遭人暗杀，是因国民党的奸细黑鹰潜伏在共产党内部，所以为了找出并铲除这个黑鹰，他想与孤雁建立联系，通过她调查出黑鹰的底细，谁知行动被敌人察觉，险些被抓。

李梅回到家，发现桌上的相框被人移动过，她找来老侉叔寻问，通过老侉叔的讲述，她敏锐的推断出，孙立德来搜查过了。

孙立德正在胡站长的办公室与其交淡，李梅突然闯进来，强烈指责孙立德去她家里搜查，她可不是个逆来顺受的软柿子，两人发生激烈争吵，胡站长怒斥住两人，孙立德离开办公室后，胡站长交给李梅一个任务，命她去调查陆军军官高峰，胡站长怀疑他有共嫌。

国民党军队召开会议成立铁血救国会，高峰参加会议，主持会议的长官说出忠于领袖的言论，被高峰当场反驳，他提出作为一名军人要忠于的是国家和人民，而并非是某一个人。

孙立德发现共产党程光明的下落，带兵进行抓捕，程光明在客栈内察觉到危险，他将一些重要的文件烧毁，开枪打死几个在门外埋伏的人，但因官兵众多，他最终被抓获。

李梅带领属下小青和金牙窃听铁血救国会的会议，会议结束金牙用相机拍摄到会的军官，不料被发现，军官们对他开火，他冒着枪零弹雨奋力奔跑，李梅开车到路口接应他，他总算是死里逃生了。

李梅向胡站长报告了高蜂的情况，说他是个居高自傲，愤世嫉俗的人，胡站长强调越是有着独特性格的人，越值得观察。

程光明被抓，孙立德对其进行审问，但从他嘴中得不到丝豪有用的信息，孙立德将程光明烧毁的文件残留带回调查，但也没找到什么蛛丝马迹。

胡站长亲自审问程光明，起初程光明坚定不移守护共产党的秘密，但老奸巨猾的胡站长利用程光明的儿子做为要挟，逼他说出了此次来南京所要执行的任务，他的任务就是要与孤雁取得联系，但是他不知道孤雁的真实姓名，他还透露出5月19日去时光咖啡馆的女人就是孤雁。

孙立德带人来到李梅的办公室，将她逮捕，把她带进了测谎室进行测谎，但测谎仪没有测出任何有价值的孙立德想要的信息。

孙立德又把李梅押到刑房，对她动用了电击的刑罚，尽管难以忍受但是李梅怎么都不肯承认自己共产党的身份。

孙立德审问李梅，使其座电椅，欲通过严刑使她承认自己是共产党，但是李梅宁死不屈，孙立德对其无计可施。

李仲达是国民党的元老，有着不可忽视的地位，他来到保密局，搬出国防部何应钦这层关系，将女儿从胡站长胡一夫手里解救出来，胡一夫为了给何应钦一个交待，给了孙立德停职处理，二科的日常事物由李梅代理。

李梅回家后李仲达严肃的寻问她跟共产党到底有没有关系，她坚决否认了。

李梅曾被程光明诬陷为孤雁，她气急败坏的要审程光明，程光明知道李梅已经失忆，于是对她的盘问不做正面的回应，而另一头的胡一夫和孙立德正在通过窃听器，窃听她们的动静，李梅见问不出结果，于是掏枪对准程光明，她的属下跑过来阻止她，李梅对着墙壁开了一枪，孙立德赶到劳房，结束了她的审问。

李梅对二科所有科员进行调查，试图查出孤雁，其中何奇志引起了她的怀疑，每次二科执行任务，何奇志都会迟到，而且他经常不通过正常程序查阅单位的机要文件，李梅将何奇志逮捕。

李梅审问何奇志，他解释说，自己查看机要文件只是为了获取时政要事，掌握金融市场，为了炒股票。

李梅想继续从程光明口中了解情况，她审问他，并且对他拳脚相加，程光明被她踢到地上，他见没有外人，于是把握时机，小声的对李梅说有办法帮助她找回记忆。

李梅根据程光明说出的地址在一座桥下找到一件物品，这是一条手帕包裹着一张照片和李梅的入党证明书，照片上的人是林志华，看到林志华的照片，李梅的记忆一点点的恢复过来，她记起来自己是一名共产党员。

李梅恢复记忆，她再次去劳房找程光明，了解详细的情况，她假装毒打程光明，不让别人察觉出异样，程光明小声的告诉她，在龙泉寺的神像下面有一封信，只要李梅看了信就会明白一切。

李梅找到信想起来5月19日她曾去过一家婚纱店，于是她找到这家婚纱店，这里有她和林志华曾订做好的婚纱，林志华就是她的未婚夫，她想起来所有他们之间的往事，想起来自己就是孤雁。

李梅去找程光明，向他寻问林志华的消息，程光明告诉她就在前几天林志华遭到埋伏遇害了，李梅听后眼眶湿润了，她伤心欲绝，程光明告诉她林志华的行踪一定是潜伏在共产党内部的黑鹰暴露的，所以一定要找出这个黑鹰，以免更多的同志受到伤害，李梅忍住悲伤，发誓一定会揪出这个黑鹰，为林志华报仇。

高峰带一名属下跟踪李梅，被她发现，进到树林后李梅突然从一颗树后窜出来袭击高峰，双方发生打斗，李梅抵不过高峰二人，被他们绑架，高峰要求李梅交出有关她窃听到他的录音带和资料，李梅不同意，高峰将她留在房间交给属下看管，自己出去办事。

高峰来到车站接从上海而来的未婚妻林小曼，林小曼是上海警备局的工作人员，她来南京是为了能长期留在这里陪在高峰身边，她带着高峰去找她的干爹胡一夫，想请求胡一夫为她在南京安排一份工作。

胡一夫见到高峰，与其谈论起当今的政治局势，胡一夫问高峰对共产党和国民党的看法，高峰直言不讳，阐述了国民党内部管理机制不合理，以及共产党团队的纪律严明，胡一夫一笑置之，高峰起身告退。

高峰回到树林的房间，李梅改变主意，同意帮他拿回录音带和资料，不过李梅已将录音带上交了，她决定画出保密局内部结构图，让高峰自己想办去拿回录音带。

李梅开始执行共产党安排的任务，她把目标对准了胡一夫办公室的保险箱，她设计成功获得了保险箱钥匙的模型，并且配出一把同样的钥匙。

李梅将画好的保密局结构图交给高峰，他决定晚上9点潜入保密局拿回有关自己的录音带和资料，而李梅也利用这个时机私下准备着自己的行动。

胡一夫来到李梅办公室，邀请她晚上六点一起参加一个化装舞会，她爽快的答应了。

参加舞会时，李梅趁胡一夫不注意，在他的酒里下了迷药，他喝下迷药后不久沉沉的睡去，李梅拜托一个姐妹穿上她的衣服，代替她跳舞，而李梅自己则出门去实行秘密活动。

夜幕降临高峰带领了十几名属下，开着车来到保密局外，他们身穿夜行衣，偷偷潜入了保密局，高峰按照李梅提供的地形图径直来到胡一夫的办公室，他的属下遍布在保密局各个角落和走廊为配合他的行动肃清障碍

高峰用铁丝打开胡一夫办公室的门，然后目标对准了办公室内的保险箱，他正试图打开保险箱，这时听到电话铃响起，他起身，突然被李梅用重物打晕。

李梅用事先准备好的钥匙打开保险箱，偷走了重要的文件，然后她向劳房走去，她打开程光明劳房的门，一边呼喊他一边向他走去，这时躺在床上的人突然转身，他不是程光明而是何奇志，原来这是一个陷阱，何奇志持枪对着李梅，李梅面不改色，这时隔壁的程光明听到动静后用力锤墙，何奇志得意的嘲笑程光明，李梅趁何奇志分心之际迅速夺下他手里的枪，将他制服在地，这个人的性命已经不能再留，李梅开枪打死了他。

李梅将程光明救出，把重要的文件交给他带走。

高峰从昏迷中清醒过来，见保险箱的门已被打开，他找到自己需要的资料，带领属下们顺利撤退。

孙立德拨打保密局的电话，被高峰属下接起未说话，孙立德意识到情况异常，立即赶往保密局探明情况，待他赶到为时已晚，所有潜入者均已撤走,他只能目睹到一片狼藉的办公室，和被人袭击受伤的属下们。

李梅回到化装舞会，若无其事的装作继续跳舞，这时胡一夫才从沉睡中醒过来，对保密局所发生的一切一无所知。

保密局失窃，孙立德紧急来到化装舞会，向胡一夫报告情况，他听完后马不停蹄的赶回去。

胡一夫返回保密局，发现保险柜里有关他与黑鹰来往的所有资料和照片全都丢失，他震惊的座到椅子上，不一会他回过神来，给报社打了一个电话，希望他们马上刊登一则讣告，他想借此讣告暗示黑鹰逃命

李梅潜入保密局偷取文件时，来不及把钢丝弩带走孙立德就赶到了，钢丝弩落到孙立德手里，第二天李梅赶回办公室，故意把办公室布置成被盗的样子，然后跑去找胡一夫，看到他桌上的钢丝弩，佯装她的钢丝弩是被别人偷走了。

保密局失窃当晚，胡一夫在保险箱旁边发现了一张高峰的照片，胡一夫吩咐李梅去调查高峰。

胡一夫从李梅的心理医生嘴里得知她5月19日去过婚纱店，于是他派孙立德去婚纱店查明情况。

胡一夫接到电话，黑鹰已被共产党杀害，这意味着他们失去了一个重要的棋子，而他也领教到了孤雁过人的能力。

高峰欲送林小曼回上海，并且提出分手，他对她没有男女之间的情意，可是林小曼对他的爱慕之情可不一般，林小曼不愿放弃他。

胡一夫与电讯科副组长严炳昆联络紧密，胡一夫要求他查出共产党的电台所在地。

严炳昆查出共产党的电台在莫愁路的悬壶药房，而程光明等地下党员们毫无察觉，胡一夫命严炳昆暂不采取行动，而是冒充电路管理人员进入悬壶药房安装了一枚监听器。

李梅来向胡一夫汇报高峰的情况，说保密局失窃当晚，他和部队在进行渡江训练，没有偷窃文件的嫌疑。

李梅发现胡一夫对高峰的情况不重视却与严炳昆来往频繁，她担心胡一夫已发现共产党的藏身之处于是来到悬壶药房附近探明情况。

果然在夜晚程光明外出时，被人跟踪了，李梅暗中与他碰面，并且摆脱跟踪的人，程光明得知行踪已暴露，责怪自己太过粗心，他告诉李梅，明天他将要和新的负责人沈君茹女士见面，碍于他已被敌人盯上，所以他请李梅代替他去与沈君茹会面。

第二天李梅到码头接沈君茹，她们通过暗号成功会面。

程光明和两名地下党同志外出，被孙立德一行人跟踪，程光明发现了跟踪者，走到一个分叉路，他们三人分头行走，孙立德见状也将部下分成三组进行追踪。