1948年的北平，守城的国民党108师副师长接到密令，要在北平主要的名胜古迹开掘地道或暗室，并提前埋装炸药，一旦北平失守，就同时引爆，以使共产党接收一座死城。此次行动的代号为“X计划”。

仁德医院的护士林倩如因曾被青年周伯勋搭救过对周伯勋产生了好感，周伯勋称自己是国民党军医，但他的行踪却有些诡秘。

林倩如的表弟焦志新是清华建筑系的大学生，在老师李正亭的带领下被关在国民党宪兵队严格看管的建筑设计所内日夜赶制有关北平的文物建筑图纸，据说是为了战争爆发时实施对北平重点文物的保护。但李正亭突然从北平地下党负责人章少川处得知了敌人是以保护文物为名准备爆破北平历史名胜古迹的阴谋，他决心将所有绘制的图纸藏起来。李正亭教授为了保护图纸不幸受重伤，焦志新带着老师躲进表姐林倩如的医院里，李正亭将图纸郑重托付给焦志新后即被抓捕，而负责追捕他们的正是周伯勋——国民党108师的副官。

建筑学家苏云轩是李正亭教授的好友，他的日本妻子秀子带着大女儿苏小雅刚刚从日本回到北京。苏小雅毕业于美国麻省理工学院建筑系，苏云轩希望她将来能接自己的班。苏云轩的小女儿苏小枫酷爱音乐，学习钢琴演奏。苏小雅和苏小枫姐妹俩的个性反差极大，姐姐泼辣热情，妹妹温柔顺和。

周伯勋得到林倩如的信任去焦志新藏身的地方索要图纸被焦志新偷袭，随后赶到的宪兵队也扑了个空，108师稽查处处长侯天柱对周伯勋起了疑心。

焦志新在危急中将图纸埋在郊区河边，然后找到苏云轩教授告知了一切，苏云轩答应尽力帮助。焦志新在离开苏家后便遭追捕，他在黑暗的街道上奔跑躲藏着，却突然被一道明晃晃的车灯逼停在街当中，一排宪兵站立在他面前，周伯勋坐在吉普车内冷冷地盯着他，两人在沉默中对视。

日本关东军的佐藤是国民党108师的俘虏，“X计划”中已经开掘出的部分地道就是由他负责实施的。他要求回国并把他的名字从战俘的名单中消除，侯天柱答应了他，条件是他必须将焦志新藏匿的图纸找回来。

周伯勋在侯天柱的监督下对焦志新执行枪决，他一枪命中焦志新，令侯天柱露出了满意的笑容。

当夜，大雨倾盆，昏迷中奄奄一息的焦志新被浇醒，他艰难地向前爬行，终于跌跌撞撞地离开了刑场……。

佐藤果然履约将图纸送回，侯天柱心中大喜。

林倩如和姑妈因为受焦志新一案牵连被关进看守所，周伯勋出面把她们保释出来。林倩如从报上得知焦志新被处决的消息当场昏倒。姑妈做出离京回老家的决定，临行前嘱咐倩如照顾好自己，最好能赶紧找个可靠的人结婚，她暗示林倩如周伯勋是个不错的人选。

苏家姐妹还沉浸在全家团聚的欢乐中，但她们却隐约感觉到了父母之间的不和。秀子在女儿面前掩饰着心中的痛苦，她唯一可以诉说的对象就是苏云轩的好朋友、教堂神父马约翰。

焦志新在好心老伯的护理下终于死里逃生，他醒后的第一件事就是去寻找他埋放的图纸，但图纸已经不在了。他又冒着危险找到苏云轩询问，苏云轩却告诉他从来没去取过图纸。焦志新大惑不解、疑心重重。北平地下组织负责人章少川找到他，让他专心养病，等待组织上的安排。

焦志新一直暗恋着表姐林倩如，想到追杀并对自己执行枪决的仇人周伯勋这时可能正和倩如打得火热，他感到既痛苦又愤怒，他决心报仇。在一个酒会上，焦志新对周伯勋的行刺顺利得手，但周伯勋在倒下的一刹那却对焦志新扣动了扳机……

焦志新被警察前堵后追难以脱身，情急之中翻入酒会大宅的后花园里。陪同母亲来参加酒会的苏小雅碰巧看到焦志新奔逃而来，一把拽住他躲进了女盥洗室。在苏小雅的掩护下，焦志新得以逃脱。

焦志新的行为受到章少川的严厉批评，说他的刺杀行动差点给地下组织造成

巨大的损失。果然，第二天全城戒严进行大搜捕，章少川紧急安排将焦志新送出城去往解放区。

苏云轩好朋友的儿子史仲良一直在公司里给苏云轩当助手，他喜欢苏小雅并主动追求，小雅却觉得他们两人在一起并不合适。

林倩如得知周伯勋被刺的消息后赶到医院，以未婚妻的名义获得了看护周的权利，她还去教堂为周祈祷，希望周能脱离死亡线。在林倩如的精心护理下，周伯勋终于苏醒，但他看到林倩如时却让她马上离开，其后又再三拒绝林倩如的示爱，而林倩如只说等他痊愈后她就走。

苏云轩夫妻的关系越来越紧张，两人之间终于爆发了激烈的争吵，秀子一气之下决定独自回日本，两个女儿苦苦相求，苏云轩却并未阻拦。很快便传来了秀子所乘坐的客轮出事的消息，小雅在遇难者名单中见到了母亲的名字，悲痛欲绝。

侯天柱到医院看望周伯勋，告诉周伯勋将在报上刊登他不治身亡的消息，目的是让周改名换姓后能潜伏下来，周伯勋于是更名为冯秉堃。周伯勋突然向林倩如求爱，林倩如听了周伯勋的解释欣然接受。

佐藤以美国中央情报局远东分部少校谍报组长的面目返回北平，开了一家私人诊所，公开身份是牙医，东北人。

全国解放，已变身为医药贸易公司经理的周伯勋与林倩如在教堂举办了简单的婚礼。

苏云轩对秀子遭遇海难也感到十分意外，苏小雅大骂父亲太狠心并对他产生仇视，连苏小枫也觉得是父亲的错导致了母亲的死亡。