一九三九年冬，陜甘寧邊區銅川檢查站。
國民黨國防部高級軍官代表團，來延安考察訪問。受到八路軍總部的熱情接待。同時，在檢查站等了兩天的邊保偵查科偵查員秦書燕和馬大爺，還是沒有等到新來上任的偵查科科長魯平。
延安附近的延川縣，偵查科副科長岳凌霄帶領偵查員們，喬裝打扮，與隱藏在延川縣的軍統特務鄭飛接頭。并展開了圍捕，將兩名軍統特務逮捕，押解前往延安。
偵察科長魯平其實早已進入了陜甘寧邊區，并且直接進入了延安城，并在延安城集市上買自行車的時候順帶抓了一名偷自己自行車的小偷。
延安，后溝。
陜甘寧邊區保安處三科（偵察科）的窯洞院內，魯平帶著抓住的小偷進來報到，魯平的神秘，引起了偵查員們的好奇與猜測。
魯平剛剛走馬上任，國民黨軍官代表團的主任黃樹藩就急匆匆趕來報案，軍事代表團的軍官郭德林中校，在延安意外地失蹤了。魯平感覺事情蹊蹺，立即命令偵查員們開始在延安范圍內尋找郭中校。
在邊區保安處，馬部長見到了前來報到的魯平，并且告訴了魯平把他從國統區調回來的真正目的。保安處得到線索，軍統特務組織派出了以王牌間諜“佛爺”為領導的漢江特訓班特務網絡，在陜甘寧邊區活動。針對的是馬上就要召開的第一屆邊區參議會。馬部長要求魯平一定要盡快地將特務網絡一網打盡。
放羊的老鄉來報案，在河岔邊上的樹林里，發現了一具尸體。魯平帶人連忙趕過去勘察，發現尸體居然就是國民黨軍官郭德林。
黃樹藩聽說郭德林的尸體被找到，大鬧偵查科，不依不饒地要求限期破案。郭德林神秘被殺的案件，成為了魯平上任之后的第一次考驗。
郭中校的死因撲朔迷離，魯平靜下心來開始尋找蛛絲馬跡，在勘察現場的樹枝上的一根黃色毛線，引起了魯平的注意，他要偵查員們出去，在延安范圍內尋找穿黃色毛衣的女人。
魯迅藝術學院的教師來報案，幾名投奔延安的學生，半路上被一個自稱是抗大招生辦的何教官給帶走了，到現在這些學生蹤跡全無。魯平懷疑這個何教官有問題，派秦書燕到抗大去調查，發現抗大根本就沒有一個姓何的招生辦教官。魯平立即命令岳凌霄帶著劉猛與何亮亮趕赴銅川，調查這件蹊蹺的案件。
魯平的未婚妻關梅得知了魯平的到來，跑到偵查科來看望魯平，這對在國統區就建立了感情的秘密夫妻，終于在延安團聚了。關梅還給魯平帶來了自己親手織的一條紅色圍巾。
岳凌霄帶著兩名偵查員在銅川檢查站蹲守了兩天，還是沒有發現那個所謂的何教官。岳凌霄命令兩名偵查員打扮成進步學生的樣子，從銅川檢查站入境，開始“釣魚”。
調查穿黃色毛衣的女人毫無結果，偵查員們跑遍了延安市，還是沒有找到那個穿黃毛衣的女人。馬大爺的一句話點醒了魯平，那毛線顏色鮮艷，非常貴重少見，如果要是織圍巾還有可能。魯平連夜找到關梅，得到了那條紅色圍巾的毛線的線索，是從一個商人那里買來的。魯平又連夜帶韓武找到那個商人，有了重大突破——這跟毛線的確是從他那里賣出來的，買毛線的女人是后方醫院的一名護士，叫謝英文。
魯平立即把謝英文帶到偵查科進行審訊。
謝英文在偵查科交代，她是郭德林中校的女朋友。原來在武漢認識的。后來兩個人分道揚鑣，謝英文為了到延安投身革命，就離開了郭德林。郭德林到延安來找她，是為了重修舊好，把她帶走。她拒絕了郭德林。證詞看來無懈可擊，偵查員們不知道該如何繼續偵破案件。
岳凌霄的“釣魚”計劃有了進展。劉猛與何亮亮化裝成進步青年，朝著延安的方向行進，在快到延安的時候，那個神秘的何教官出現了。他告訴兩個偵查員，自己是抗大招生辦的招生教官。要帶著他們去抗大報到。兩名偵查員立即跟著何教官而去，岳凌霄尾隨他們到了延安附近的李家村。住進了窯洞。
正在郭德林的案件陷入維谷的時候，秦書燕從郭德林的皮箱里，找到了郭德林家人的一張合影，魯平從合影上判斷，謝英文應該在說謊，她不是郭德林的女朋友，而應該就是郭德林的親妹妹。他立即意識到謝英文有危險，準備派韓武前去保護，但是晚了一步，謝英文被殺害在了自己的宿舍里。
軍官代表團的行程就要結束了，黃樹藩給偵查科施加壓力，要求一天之內必須破案。魯平頂著壓力保證，一定在二十小時之內破案。
何教官帶著兩名偵查員啟程，在荒郊野外的時候，何教官掏出了手槍。千鈞一發之際，岳凌霄開槍，打傷了何教官，并立即展開了審訊。原來這是軍統的另外一伙特務，專門阻止進步青年投奔延安。
在看守所里，魯平審訊特務鄭飛有了重大突破，那個郭德林的真實身份，居然是軍統局防諜組的特工。魯平明白了謎底，立即帶人將謝英文的男朋友閻良抓捕歸案。事情真相大白，原來，閻良是日本特高科的特工，以謝英文為保護傘隱蔽進入了延安潛伏。郭德林得知妹妹的男朋友是日本特務，到延安來想阻止妹妹與閻良交往，卻被閻良殺害。
案情真相大白，大家正在慶祝的時候，魯平得知那個鄭飛在看守所里自殺了。馬部長趕到看守所，告訴魯平，他被鄭飛騙了，鄭飛的真實身份是漢江特訓班，是佛爺的部下。魯平頓時傻眼了。