1949年秋天，正在蘇州執行任務的地下黨焦允俊，突然接到通知，讓他立刻返回上海。正在外工作時就接到調令，還是頭一次。
臨行前，領導卻一反常態的嚴肅，而是溫和地握了握焦允俊的手。從這一個動作中，焦允俊敏感地捕捉到一個信息：自己可能被調走了，這個握手就是告別。
當天晚上七點，焦允俊化妝成商販模樣，來到上海西郊的一處秘密聯絡點。不多時，又陸續進來六個其貌不揚的男子。隨後，新領導來到大家面前，進門後就說出在場七個人的名字和職務。焦允俊一聽，都是和自己差不多的資歷，從紅軍時期就從事地下工作的副營級。
到底是什麼案子，值得華東局如此興師動眾？
上海虹鎮老街一戶姓秦的貧寒人家，有個小名阿四的九歲小男孩。這天早上，他正在跟客人乞討，卻被一個金髮碧眼的外國美女叫住，這個外國美女還會說一口流利的上海話。三天前，阿四頭撿到了一個洋皮包，拿去舊貨商店換了十萬元。而這個皮包就是洋美女的，她這次來就是想問問自己皮包的情況。
阿四頭把皮包換掉後，包里的東西都留在自己家，那個年代，普通人都對敵特活動十分警惕，走街串巷的阿四頭也不例外。面對洋美女的質問，他記着警察的叮囑，沒說實話，等和洋美女分別後，就趕緊找到警察，回自己家中拿出包中的一個硬皮本。
只見硬皮本子上寫的都是洋文，還有些寫寫畫畫的圖案，畫得像是建築輪廓。分局領導看過硬皮本後，一言不發將其封存進卷宗袋，上交給了華東局。隨後，焦允俊等人便被緊急抽調組建了專案組。
原來，硬皮本里記載的，都是蘇聯專家秘密協助我軍，建造海軍艦艇「101工程」的絕密信息，所畫的圖案，就是用於停放製造艦艇的船台。此事甚至驚動了中央，連夜要求華東局組建專案組調查。
但專案組經過幾天排查，依舊一無所獲。就在此時，華東局截獲了一份台灣「保密局」的密電，收件人是代號「老六」的敵特分子。電報是毛人鳳親批的，說這邊收到了船台情報，還讓他們繼續收集軍艦的設計圖紙。
專案組成員頓時嘩然，敵特分子竟然將這份丟失的情報傳遞出去，還要更進一步。時間緊迫，華東局領導也顧不得批評，直接要求專案組必須儘快破案。或許是壓力太大導致的靈光一現，專案組再次召開分析會時，焦允俊突然提出了個大膽的設想。
之前，專案組都把泄密人員範圍鎖定在艦艇工程組中，但是排查許久都一無所獲。焦允俊認為，那個收集情報的人，可能是爬到船廠外圍的大煙筒上，藉助放大鏡觀察繪製草圖。
此話一出，其他偵查員都震驚了，這也可以？焦允俊笑道：「當然可以。上海戰役前，我奉命偵查國民黨在吳淞口的炮兵陣地，還要畫出每一門火炮、營房的位置，我潛入炮兵陣地附近的水廠，半夜爬到水塔上面用望遠鏡看的，天亮就開始繪圖，整整一個白天才畫完。」
這麼說來，觀察船台並繪圖的難度，可以比一整個炮兵陣地簡單多了，敵特分子完全可以用這種方式。專案組來到這座大煙筒下，爬上去用望遠鏡觀察，果然清清楚楚的看到了船台。
通過在大煙筒附近走訪，專案組獲得了一條重要情報：一位叫做黃純合的人多次在煙筒附近轉悠，此人還是國民黨在抗戰勝利後，安排進船廠的。專案組對他家進行搜查後，果然一副搜出軍用望遠鏡。
原來，幾個月前有個人以壹佰萬元的價格找到他，要求他借工作之便爬上煙筒畫下船台的圖，還給他提供軍用望遠鏡。但這位找他畫畫的人，早已不知道躲到哪裡去了。
話分兩頭，泄密事件的謀劃者，國民黨六室主任、代號「老六」的敵特分子宋思義，這幾天過得不太舒坦。雖然收到了台灣方面發來的「嘉獎」，但讓他進一步搜集魚雷快艇的圖紙，這可讓他犯了難。
本來搜集船台情報，就是他無奈之下找的辦法，是想拖延時間，說不定上司就停止項目了，沒想到卻等來了催命符。這是國民黨和美國中情局共同關注的情報，想糊弄是糊弄不過去的。之前被偷錢包的外國美女，就是中情局給宋思義挑的手下，名叫尤利婭。
就在宋思義頭痛不已時，尤利婭找到他，說自己有了搜集情報的捷徑。原來，中情局不知道從何處搞來的情報，獲悉蘇聯援助「101工程」有個叫做馬念舒的翻譯，他的父親和尤利婭的父親是同學發小。如果能走通馬念舒這條線，那真是再好不過了。
專案組這邊，則仍在焦頭爛額地尋找線索。焦允俊則按照之前的約定，前去和101工程專家組負責保衛工作的安德烈少校見面。會面地點在一所飯店，但就在進門時，焦允俊被飯店門口花花綠綠的小廣告吸引了。
安德烈少校很奇怪，問道：「你在看什麼？」只見焦允俊死死盯着一個俄羅斯餐館的廣告，上面寫着什麼專業俄羅斯菜肴，伏特加打八折之類的話。安德烈少校回憶了一下，驚覺這是昨天給專家組的尼古拉博士過生日的俄羅斯飯店。
在這場生日宴上，一同前往的翻譯馬念舒意外結識了世交朋友尤利婭——這，自然是宋思義的傑作。
軍統在上海有個接頭地點，正是一家餐館。藉助這個機會，宋思義把這裡改造成俄羅斯餐館，還讓尤利婭找出父親年輕時和馬念舒父親的合照，擺在顯眼的位置，之後就四處張貼廣告，吸引蘇聯專家來這裡用餐。
不出所料，蘇聯專家果然來到這家少見的俄羅斯餐館。馬念舒意外發現店堂里的照片，有不少張是在自家相簿里見過，這就順理成章地見到了餐館「女老闆」尤利婭。
焦允俊聽說此事後，多年地下工作的經驗讓他十分警覺：這一切都太巧了，怎麼偏偏就看到這則廣告？怎麼偏偏翻譯就和老闆是世交？回到專案組後，焦允俊立即找出尤利婭的戶籍照片，找到撿到阿四頭，讓他認認是不是那個外國美女，阿四頭果然認出尤利婭。
專案組決定，先不要打草驚蛇，做好馬念舒的工作，讓他和尤利婭接觸，再順藤摸瓜，把尤利婭背後的敵特組織一網打盡。
接下來的行動就順利多了，不到半個月的時間，尤利婭「收買」了馬念舒，得到了「絕密圖紙」。與此同時，專案組對尤利婭暗中嚴密監視，終於摸清了「六室」的基本情況。1949年9月30日，華東社會局專案組在上百名軍警的協作下，將六名以宋思義為首的，六名特務抓捕歸案。
幾天後，根據上級命令，宋思義等人被押解到北京。宋思義等三人被判處死刑，尤利婭在關押途中自盡，其他人員被判處有期徒刑。
10月20日，華東局設宴為七名偵查員慶功，同時宣布一則重要決定：經上級批准，專案組改名為「華東特案組」，繼續作為常設小組，專門偵破華東地區大案要案。
