在1958年，那个风云际会的年代，全国上下一片百工争先的浓厚氛围中，极具关键性的“水滴工程”，即核潜艇理论基础的研究，临近决定命运的瞬间。处在他乡的爱国学者安文山，身为核技术领域的专家，怀着赤胆忠心的心志，心系祖国的建设，想要尽己千里之赴。然而，在归国的路途中，他不幸遭到敌特分子的强控。
在这个紧要的关头，安文山任重道远，他把深度研究的核心资料托付给计丹阳——一位求知若渴，卓识远见的数学博士，期望他能将这些宝贵的资料带回国。然而，在全副武装的台湾军情部门得知动向后，他们立刻派出了一支特别行动小组到香港以阻止计丹阳。公安部决定采取行动，派出他们的得力担当前往香港护航计丹阳回国，这项行动被命名为“鹊桥行动”。
公安干警奔赴香港的途中，他们决定乘坐一艘名为威尔逊号的游轮，此刻，距离他们抵达目的地只剩下三十分钟。这是一段紧张而激烈的旅程，他们严阵以待，备战在即。
当游轮靠岸，梦想和祖国重逢的计丹阳一步跨出舱门，他马上发现一个身穿藏青色鸭舌帽，举着他名字的男人。然而，他记得安文山明确地告诉他，接他的人会戴黑色鸭舌帽。计丹阳察觉到了不对劲，顺其流，平静地从那个男人身边走过，可是他的名字依然被该男人大声公之于众。在这急转直下的情势下，计丹阳以强韧的毅力和果断的决断力，坚决否认与之有任何关系，随后从现场脱身。
之后，计丹阳看到了迎接他的人，那个举着他的姓名牌，戴黑色鸭舌帽的男人。举步欲去的计丹阳突然看到一辆救护车飞驰而来，车上的人试图抓住他。突来的攻击带来激烈的交火，慌张的人群盲目逃窜，街头顿时炸开了锅，然而计丹阳借变乱斗乱脱身，躲过了一劫。
后来，因为第一次接头的失败，执着的计丹阳按照安文山的原计划，决定在酒店大堂进行第二次接头。他带着重要的资料走进酒店大堂，临危不惧，他遇见一个女人，她精准地说出接头暗号，并低声恳求计丹阳注意周围的敌特。计丹阳也意识到，他们身处丛林深处，临危受命，他便毫无疑问地相信了那个女人。
随后，在一潭死水的大堂中，公安干警庞红梅战略出击，主动邀请计丹阳一起在舞池中翩翩起舞。那个女人二话没说，拉起计丹阳就冲入舞池，欲带他脱困。然而，庞红梅机警地挡住她，自我介绍她是来接头的联络人，结果遭到措手不及的攻击，女人与计丹阳二人运用计策，成功逃脱。
庞红梅将对她表示威胁的敌特一骑绝尘，却无功而返，计丹阳已被那个女人带到606房间。然而，计丹阳机变，趁机找虚以退，果然应验。计丹阳化险为夷，利用酒店的工作人员的装扮，得以逃脱。此时的庞红梅以她的智慧和反应，成功地把计丹阳逮到，并给他解释了真相，原来来码头接头的外围人士已经被敌特暴露，刚才那个女人其实是台湾特务。这个消息使握有重要资料而一头雾水的计丹阳更加迷茫，然而庞红梅发誓会用生命保护他和他带来的资料。
刚刚获取资料的女特务发现计丹阳消失无踪，她急切地召集同伴，四处寻找，再次撞到庞红梅。女特务紧紧用枪指着计丹阳的头，想要自保骇人的庞红梅只得武装降下。然而，这瞬间计丹阳豁然开朗，他清晰地认识到，真正来接头的人就是庞红梅。他以极大的勇气，迅速将枪踹给庞红梅，然而女特务开枪打伤了庞红梅，计丹阳的逃亡之路被她掩护得以顺利。
狂风骤雨之中，计丹阳逃过了一劫，他清楚地理出了此前发生的情况，随后被庞红梅找到，她带他来到临时安置点，计丹阳帮庞红梅进行了紧急的救助。在无助和胆怯之中，庞红梅说服了计丹阳可以找寻其他的方法以找回资料，因为他给女特务的笔记本只是假的，他将真正的研究数据藏在大楼的柜子里，并在自己逃生的过程中取得了它。
次日清晨，庞红梅护送计丹阳穿过罗湖闸口，此过程需要三十