安妮对章广生展开情感攻势，章广生陷入了情网。

章广生对化石进行X成像的计划安排在章淑亚的放射实验室进行。刘文杰对章淑亚说需要她的帮助，为了刺激美国人保护化石的决心，他要让那两块进行X成像的化石不翼而飞。章淑亚不同意，刘文杰就用章父与戴武林合伙贩卖毒品的内情相要挟。

福格尔通知章广生，他正在重新考虑对化石进行X成像的必要性，因为裴文中和贾兰坡先生给他打电话，认为此计划不合适。福格尔还委婉地提醒章广生，说他对安妮并不信任。深坠情网的章广生没有听出福格尔的弦外之音。

德国领事馆来了一个自称为安妮的姑娘。她说她的行李和有关的证明文件在途中被日本兵抢走了，她是费尽周折才逃出来的。德国领事馆同意帮她联系有关人员证明身份。安妮把电话打到了福格尔的办公室，福格尔跟她约定了面谈的时间。

福格尔企图审问先到的安妮，查证她的身份，结果反被假安妮的恐吓吓倒。假安妮要福格尔同意章广生的计划，福格尔屈服了。伊藤到德国领事馆拜访，他向德国领事说明了找人代替安妮的目的，要求德国给日本提供帮助，德国领事同意了。

福格尔通知章广生成像计划可以照常进行，并暗示化石可能有危险，章广生浑然不觉。王福明找到章广生，想从他那里了解一些安妮的细节，证实安妮的身份，这引起了章广生的反感。

与福格尔通过电话以后，德国领事馆里的安妮一直等待着见面，但是福格尔并没有出现。安妮试图再用电话与福格尔联系，结果领事告知她，不能离开领事馆，也不能再打电话给任何人，等领事馆给补办好护照以后，尽快离开中国。

在刘文杰的导演下，章淑亚利用停电的瞬间把化石掉包。章广生发现化石是假的，暴跳如雷。章淑亚佯作无辜，章广生无计可施。刘文杰要章淑亚和他一起把掉包后的化石送到一个安全的地方，没想到在半路上被人把化石抢跑了。

两块肢体骨骼化石的失踪不仅令章广生痛悔不已，也令王福明气恼，他埋怨妻子肖楠楠不及时把刘文杰偷换化石的计划告诉他，肖楠楠反拿自己和刘文杰的旧情刺激他，夫妻二人爆发了战火。夜色中，德国领事馆的安妮从房间里逃了出来，飞跑着消失在黑暗中。

夜深人静的时候。一个自称是安妮·施密特的德国女子敲开了肖家的大门。同一夜晚，在北平的日本商会，世野井正在以不可一世的口气向伊藤传达东京的指示，他将全面接替伊藤的工作。此时使安妮唯一能证明自己身份的是她与肖云昌的一张合影，她在肖家影集中终于找到了这张至关重要的照片。世野井把真安妮的出现告诉了“安妮”，这令她开始紧张不安。她只能在暴露之前抓紧时间采取行动。

肖楠楠在一次谈话中，无意间向刘文杰透露了真安妮的消息。接下来，王福明被抓，而安妮已不知去向。楠楠终于明白了自己的言行给王福明带来的伤害，她后悔不已。在对王福明的逼供中，世野井知道了自己当年的一只眼睛正是王福明所伤，顿时象一只咆哮的野兽。协和医院，“安妮”挟枪威胁福格尔去开保险柜，却因欢送福格尔的聚会被打断。在聚会中，真安妮的出现令“安妮”的计划全面告破，她只好离去。在一个深夜，王福明被世野井杀害。

章广生认为王福明的死和自己的幼稚有关，内心产生强烈的自责。肖楠楠的复杂反应令刘文杰无法猜测出她此刻的真实想法。楠楠沉浸在悲伤的情绪中，教堂里经常出现她孤独的身影。戴武林和章牧之却在这一消息中嗅出不同的气息，在金钱的诱惑下，他们又开始打起化石的主意。日本方面得到美国和重庆政府关于转运化石谈判的情报，世野井和伊藤在如何抢夺化石策略上产生分歧。章牧之偷偷向广生打听化石的事情，遭到儿子的一番奚落。章广生和刘文杰谈论转运化石的方案，彼此心存疑问，各自提防。

一个深夜，刘文杰和喝醉的肖楠楠从一家酒吧出来，遭遇正在巡逻的日本兵。此刻已经宵禁，刘文杰向日本兵出示了一个证件后，扶着楠楠平安离去。第二天楠楠在与章淑亚回忆昨晚的细节时生起疑点。安妮从理查森院长那里得知化石即将转运的消息，并及时地告诉给章广生。章广生与魏道培接头商量下一步的计划。

魏道培和赵先生在一家戏院秘密接头，从赵先生那里，他得知刘文杰可能在为日本人工作。世野井决定在化石转运途中下手，伊藤却对这一计划深感担忧。他找到安妮试图通过她说服美国人放弃转运计划，安妮对日本人的狂妄表现出本能的厌恶。章广生把从安妮那里了解的这些情况汇报给魏道培，魏道培认为这可能是伊藤的一个诡计。关于所谓的化石生意，戴武林打算拉汤姆入伙。

一个夜晚，在肖楠楠的精心安排策划下，终于从刘文杰的衣兜里找到了那晚见到的蓝色证件。寒风凛冽的夜晚，化石装箱工作已完成，安妮和章广生认真核对装箱清单。赵先生在秘密发报时被日本兵逮捕。肖楠楠开始跟踪刘文杰，发现他进入日本商会。当肖楠楠在刘文杰的房间里四处搜寻时，却不知刘文杰就在她的身后。

夜幕笼罩下，汤姆奉命驱车前往协和医学院，暂时把两个木箱运到美军陆战队军营。同一夜晚，肖楠楠被日本兵押到日本商会，在那里她看到了刘文杰。刘文杰告诉她明天美国陆战队军营将会发生一次爆炸，到时一切都会结束。他向肖楠楠表达爱意，并讲述了自己的过去，以求能得到楠楠的同情和谅解，但结果让楠楠更加厌恶和鄙视。在美军陆战队俱乐部里，魏道培和戴武林先后找到汤姆，他们都在密切关注化石的新动向。美军对转运化石的自信和轻率令魏道培深感担忧，他企图说服威廉姆斯上校增加运送人员，但结果是只增派他一人参加这次行动。

接近凌晨，章广生在一个小四合院见到了协助化石转运的共产党地下武工队的成员。在日本商会，肖楠楠趁门外没有哨兵，匆忙骑上一辆岗亭旁的自行车，却没注意到车上挂着两个帆布包。此时，魏道培和汤姆正从军营出发，准备把木箱运往火车站。随后，在威廉姆斯的指挥下，由门罗中士负责指挥的另一辆军用卡车到协和医学院去装运两个木箱，目的地是秦皇岛。肖楠楠骑车冲进美军军营，刚被丢下的自行车突然爆炸，营内一片混乱。路上，戴武林趁汤姆的车熄火爬进车厢，在翻找木箱时被魏道培发现，落荒而逃。而此时世野井带领的日本兵在伏击地遭到武工队的袭击，世野井被章广生开枪打死。在魏道培的保护下，木箱安全抵达火车站。同一个晚上，戴武林仓皇离开北平。