一九三九年冬，陕甘宁边区铜川检查站。
国民党国防部高级军官代表团，来延安考察访问。受到八路军总部的热情接待。同时，在检查站等了两天的边保侦查科侦查员秦书燕和马大爷，还是没有等到新来上任的侦查科科长鲁平。
延安附近的延川县，侦查科副科长岳凌霄带领侦查员们，乔装打扮，与隐藏在延川县的军统特务郑飞接头。并展开了围捕，将两名军统特务逮捕，押解前往延安。
侦察科长鲁平其实早已进入了陕甘宁边区，并且直接进入了延安城，并在延安城集市上买自行车的时候顺带抓了一名偷自己自行车的小偷。
延安，后沟。
陕甘宁边区保安处三科(侦察科)的窑洞院内，鲁平带着抓住的小偷进来报到，鲁平的神秘，引起了侦查员们的好奇与猜测。
鲁平刚刚走马上任，国民党军官代表团的主任黄树藩就急匆匆赶来报案，军事代表团的军官郭德林中校，在延安意外地失踪了。鲁平感觉事情蹊跷，立即命令侦查员们开始在延安范围内寻找郭中校。
在边区保安处，马部长见到了前来报到的鲁平，并且告诉了鲁平把他从国统区调回来的真正目的。保安处得到线索，军统特务组织派出了以王牌间谍“佛爷”为领导的汉江特训班特务网络，在陕甘宁边区活动。针对的是马上就要召开的第一届边区参议会。马部长要求鲁平一定要尽快地将特务网络一网打尽。
放羊的老乡来报案，在河岔边上的树林里，发现了一具尸体。鲁平带人连忙赶过去勘察，发现尸体居然就是国民党军官郭德林。
黄树藩听说郭德林的尸体被找到，大闹侦查科，不依不饶地要求限期破案。郭德林神秘被杀的案件，成为了鲁平上任之后的第一次考验。
郭中校的死因扑朔迷离，鲁平静下心来开始寻找蛛丝马迹，在勘察现场的树枝上的一根黄色毛线，引起了鲁平的注意，他要侦查员们出去，在延安范围内寻找穿黄色毛衣的女人。
鲁迅艺术学院的教师来报案，几名投奔延安的学生，半路上被一个自称是抗大招生办的何教官给带走了，到现在这些学生踪迹全无。鲁平怀疑这个何教官有问题，派秦书燕到抗大去调查，发现抗大根本就没有一个姓何的招生办教官。鲁平立即命令岳凌霄带着刘猛与何亮亮赶赴铜川，调查这件蹊跷的案件。
鲁平的未婚妻关梅得知了鲁平的到来，跑到侦查科来看望鲁平，这对在国统区就建立了感情的秘密夫妻，终于在延安团聚了。关梅还给鲁平带来了自己亲手织的一条红色围巾。
岳凌霄带着两名侦查员在铜川检查站蹲守了两天，还是没有发现那个所谓的何教官。岳凌霄命令两名侦查员打扮成进步学生的样子，从铜川检查站入境，开始“钓鱼”。
调查穿黄色毛衣的女人毫无结果，侦查员们跑遍了延安市，还是没有找到那个穿黄毛衣的女人。马大爷的一句话点醒了鲁平，那毛线颜色鲜艳，非常贵重少见，如果要是织围巾还有可能。鲁平连夜找到关梅，得到了那条红色围巾的毛线的线索，是从一个商人那里买来的。鲁平又连夜带韩武找到那个商人，有了重大突破——这跟毛线的确是从他那里卖出来的，买毛线的女人是后方医院的一名护士，叫谢英文。
鲁平立即把谢英文带到侦查科进行审讯。
谢英文在侦查科交代，她是郭德林中校的女朋友。原来在武汉认识的。后来两个人分道扬镳，谢英文为了到延安投身革命，就离开了郭德林。郭德林到延安来找她，是为了重修旧好，把她带走。她拒绝了郭德林。证词看来无懈可击，侦查员们不知道该如何继续侦破案件。
岳凌霄的“钓鱼”计划有了进展。刘猛与何亮亮化装成进步青年，朝着延安的方向行进，在快到延安的时候，那个神秘的何教官出现了。他告诉两个侦查员，自己是抗大招生办的招生教官。要带着他们去抗大报到。两名侦查员立即跟着何教官而去，岳凌霄尾随他们到了延安附近的李家村。住进了窑洞。
正在郭德林的案件陷入维谷的时候，秦书燕从郭德林的皮箱里，找到了郭德林家人的一张合影，鲁平从合影上判断，谢英文应该在说谎，她不是郭德林的女朋友，而应该就是郭德林的亲妹妹。他立即意识到谢英文有危险，准备派韩武前去保护，但是晚了一步，谢英文被杀害在了自己的宿舍里。
军官代表团的行程就要结束了，黄树藩给侦查科施加压力，要求一天之内必须破案。鲁平顶着压力保证，一定在二十小时之内破案。
何教官带着两名侦查员启程，在荒郊野外的时候，何教官掏出了手枪。千钧一发之际，岳凌霄开枪，打伤了何教官，并立即展开了审讯。原来这是军统的另外一伙特务，专门阻止进步青年投奔延安。
在看守所里，鲁平审讯特务郑飞有了重大突破，那个郭德林的真实身份，居然是军统局防谍组的特工。鲁平明白了谜底，立即带人将谢英文的男朋友阎良抓捕归案。事情真相大白，原来，阎良是日本特高科的特工，以谢英文为保护伞隐蔽进入了延安潜伏。郭德林得知妹妹的男朋友是日本特务，到延安来想阻止妹妹与阎良交往，却被阎良杀害。
案情真相大白，大家正在庆祝的时候，鲁平得知那个郑飞在看守所里自杀了。马部长赶到看守所，告诉鲁平，他被郑飞骗了，郑飞的真实身份是汉江特训班，是佛爷的部下。鲁平顿时傻眼了。
