1995年，北京人化石失踪之后第54年。参加过侵华战争的日本老兵河原已经奄奄一息，等昔日的战友松川匆匆赶到床前，河原才用尽最后的力气告诉松川，曾经震惊世界的失踪了的北京人化石有了着落，是他当年亲手把它埋在了北京的一个地方。

松川费尽周折找到当年曾经参与研究与保护化石并为寻找化石付出一生心血的中国老一辈考古学家章广生，松川对当时情景的切实描述深深唤起了章广生心中已经熄灭的希望之火。在松川与章广生会谈的同时，另一场抓捕文物贩子的战斗也已展开。年轻的刑侦处长魏明亮经过与文物贩子的巧妙周旋终于将其一网打尽，但是他们缴获的北京人头盖骨化石却是复制品。

北京某公园内，根据松川提供的线索展开的探测和挖掘工作正在紧锣密鼓的准备着。魏明伦接受了现场执勤的任务，他的父亲，魏道培一位已经退休的老警察，当年参与了保护化石的工作。从儿子口中得知了挖掘的线索。魏道培也来到了探测现场。

搜寻与挖掘工作并没有新的收获，魏道培和章广生两个曾经共同战斗的人意外的相逢，时光仿佛回到了那个峥嵘的年代。

时间回到1936年12月。继1929年首次出土后，又出土了两个完整的北京猿人头盖骨化石。由于对北京人化石觊觎已久，拥有人类学教授身份、老练阴险的伊藤与助手、残暴愚蠢的世野井被授命偷取化石。两人参观化石受到福格尔的助手威廉的接待，主持研究工作的福格尔意识到日本人可能别有用心。

在北京协和医学院举行的“北京人”考古新发现新闻发布会上，美国古人类学教授，福格尔教授介绍了化石的情况后，日本特务黑田公然挑衅说中国人没有资格承担研究任务。

第二天上午，北京人化石不翼而飞。由于警察及时赶到，化石失而复得。伊藤因为与化石失之交臂而后悔不已，共产党地下党员王福明和魏道培也开始怀疑医学院七号楼内有内奸，但有嫌疑的人都被排除后仍然没有头绪。

王福明、刘文杰和章广生决定教训一下嚣张的黑田，没想到黑田竟然掏出手枪，情急之下章广生失手打死了黑田。日本领事馆向警察局施压，三人被捕，在狱中受到非人折磨。刘文杰利用国民党情报人员的身份使三人脱身。

王福明出狱后与魏道培接头，魏批评了王福明的鲁莽行为，告诉王以后工作的重点要转移到保护化石上来，并对刘文杰晚于王章二人出狱起了疑心。福格尔向章广生介绍化石的研究情况，并警告章广生日本人对化石有特殊的兴趣。

伊藤找到渴望出国留学的胡君林，许以到东京帝大就读的优惠条件，将其秘密招募。

为庆祝王福明等三人平安出狱，在肖云昌家中举行了一个欢庆晚会，戴武林向章淑亚献了一首拙劣的情诗，受到同样爱着章淑亚的肖云昌的得意弟子胡君林的嘲弄，两人大打出手，聚会不欢而散。可能是因为王福明的缘故，肖楠楠与刘文杰之间也开始出现裂隙。

一日，世野井找到章广生，以优惠条件利诱他，被章广生言辞拒绝。刘文杰将此事告知王福明意欲试探其身份。

肖云昌通过解剖病人尸体偶然发现日本人在东北使用细菌武器制造鼠疫的事实， 肖将解剖报告上交院方希望引起社会和美国的注意，但院方怕得罪日本人而将报告销毁， 肖决定联合同在解剖系的刘文杰和王福明签名将疫情声明公之于众。因为顾及自己特殊的身份，刘文杰和王福明当时都没有答应。

胡君林虽然因为替日本人说好话受到肖云昌的批评，但并没有收敛，甚至带领伊藤和世野井窥探北京人化石的发掘现场，三人被游击队俘获。经慎重考虑，魏道培决定不杀伊藤等人，而先前释放的胡君林也到日本领事馆通风报信并引导警察赶来，游击队趁机释放伊藤。

王福明不顾魏道培的反对，最终在声明上签上了自己的名字，肖云昌很是感激，这也让自以为聪明的刘文杰吃惊不小。肖云昌的疫情声明招致日本人的嫉恨，生命受到威胁，但肖云昌不为所动，为揭露真相反而决定亲赴东北调查取证。王福明和魏道培用计确证了刘文杰的国民党情报员身份，而刘文杰也趁机要求与王福明合作共同保护化石安全。

戴武林向章淑亚大献殷勤，大获芳心。章牧之从东北回来后开始与戴武林合伙做起了鸦片生意。

刘文杰主动找王福明要求两人合作，王福明大吃一惊，但从大局出发，王答应刘的要求。世野井和松川到戏院看京剧，由于态度蛮横，扰乱秩序被观众赶出戏院。两人和王福明、章广生相遇，世野井和王福明大吵一架。

章广生建议将化石从协和医学院转移，福格尔不同意，章广生非常失望。但威廉却私下里告诉章广生福格尔其实也非常担心化石的安危，并希望能够和王福明身后的共产党见面。章广生说考虑一下。

伊藤向胡君林交代好了偷窃化石的一切程序，并将护照给了胡，希望胡君林不负所望。戴武林和章淑亚发生关系。

世野井认为胡君林的偷窃技术达不到能够偷走化石的水平，但伊藤向他透露在医院内部还有自己的眼线。

胡君林抱着复杂的心态来找肖云昌结果没人，王福明劝说他能够悔悟，肖楠楠对其冷嘲热讽。

黑夜里，被伊藤收买的内线陈宇森偷盗化石结果被魏道培给破坏。戴武林和日本人松川和河原作鸦片生意，双方将要接头的时候，两个日本人被巡警抓获。

刘文杰和赵先生接头商讨有人偷盗化石的事情，刘文杰希望赵先生同意自己和王福明合作，赵默许。

陈宇森被日本人在医院里杀人灭口，魏道培担心日本人有大的行动，告诉王福明要加倍小心。

章牧之希望戴武林能够和女儿结婚，戴武林借故鸦片的事情没个说法敷衍过去。

刘文杰和王福明就合作达成共识，并商定想办法将化石转移到安全的地方。肖云昌从东北回来，经过调查，发现了日本人在东北进行细菌试验的真相。魏道培和王福明商定避开刘文杰单独转移化石。

肖云昌决定将调查结果公布于众，但是王福明和刘文杰都认为这样过于冒险。戴武林背着大家将肖云昌的调查结果在电台上公布，伊藤被激怒要求胡君林杀掉肖云昌。

胡君林带着伊藤给的毒药来见老师肖云昌，但是并没有下毒而是向老师坦白。伊藤对胡君林没有下手大为恼火，威胁胡完不成任务就拿回护照。