1937年2月，納粹德國在希特勒的批準下，啟動“鈾計劃”，即大規模殺傷性武器，原子彈的研制工作。整個計劃在實驗初期，進展非常順利，但最終，由于制造反應堆的石墨純度難以達標而受阻。
幾年后，美國利用從德國出逃的科學家，正式啟動“曼哈頓計劃”，迅速掌握了石墨的提純技術，使原子彈的研究工作，獲得巨大進展。
中國西南地區，蘊藏著豐富的石墨資源，昆明“史迪威訓練基地”，成為美軍研制及生產高純度石墨的重要地點。
同一時間，日軍在德國的授意下，開始派遣大量間諜，滲透到中國昆明，試圖竊取石墨提純的重要技術。
1943年。昆明美軍史迪威基地，日本間諜吉川猛夫竊取到制造原子彈的重要石墨資料后，逃跑至美軍俱樂部。基地軍官魏明磊帶兵追趕，吉川被打傷后逃走。
重慶政府得知資料被盜事件后震怒，軍統接受命令，老于找到五特人員，請求幫忙，馬云飛和何堅不愿幫忙，但大姐歐陽、高寒和李智博還是答應了老于，趕往昆明。
同一時間，日特組織也得悉吉川成功竊取資料，并且得知吉川已經有了二心，準備偷偷將情報賣給德國人，所以日特準備找到吉川后，殺掉他，將情報送回本土。
馬云飛雖然嘴上沒有答應老于，但還是擔心高寒等人的安危，最終和何堅做火車趕往昆明。火車上，馬云飛結識了化裝成女學生的女日特酒井，而酒井之所以要去昆明，就是作為最高領導，指揮昆明日特處理吉川情報事件。
歐陽等人到達昆明，得知一家藥店被襲，從作案手法分析，很可能是吉川所為，于是分析出吉川應該是在從美軍基地逃跑時受傷，尋找消炎藥瓶盤尼西林。于是歐陽等人準備從藥品下手尋找吉川的下落。
馬云飛、酒井到達昆明后分手，酒井趕到日特昆明據點布置。同一時間，吉川在各個藥店尋找傷藥。
昆明最大的臨安堂藥店，五特人員化妝成藥店員工守株待兔，果然，化妝后的吉川趕到，被五特的人識破。正在大伙兒要抓捕吉川時，酒井帶領日本特工趕到，也要抓捕吉川。
一通激戰后，雙方互有損傷，吉川趁亂逃走，躲到自己在昆明的奶媽家里。
吉川告訴奶媽，要救自己，只有一個人能行，就是史迪威基地的魏明磊，魏明磊也是日本特工，與吉川關系很好。
奶媽巧妙地找到魏明磊，魏明磊來到奶媽家，吉川講出了自己的計劃，要背叛日本，將情報賣給德國人，魏明磊大驚，后還是同意了。
為了治療吉川的傷，找到管制藥物盤尼西林，魏明磊回到基地后，弄傷自己后，開出了盤尼西林。