中国沿海城市三岛市，一个潜伏已久的D国老间谍“渔翁”公开露面，三岛市国安局成功将其捕获，整个过程中，侦察员洪少秋立下头功，并且将一名叫叶唅的小实习生斥责的一无是处。八年后，国家保密单位301研究所的深海潜水器“海隆号”的一次阶段性下潜试验过程中，三岛市发生了严重的泄密事件，已经荣升为三岛市国安局侦察处处长的洪少秋全力抓捕嫌疑人——一名在网吧逃脱的红衣女子，然而，该名女子却在众目睽睽下消失。回到局里，在自己的办公室里竟然碰到了那个八年前的小实习生叶唅，两人再次险些出现摩擦。不一会儿，国安局局长周大路前来，宣布就地成立“301专案组”，洪少秋担任副组长，已经贵为广安省国安厅侦察处处长叶唅担任组长，限期30天破案。

叶唅提出解铃还须系铃人，安排洪少秋跟侦察员江源跟着自己去301研究所调查，路上她得知了洪少秋的身世，亲生父母是301烈士，养父正是此次“海隆号”的总设计师张西洋。她建议洪少秋回避相关调查遭到拒绝。首先前来谈问题的人是智能系统负责人张妍，她是洪少秋的妹妹，叶唅不顾后者的反对，强制让洪少秋回避了谈话。之后又在毫无通知的情况下对张西洋家进行了突然的“家访”，种种行为让洪少秋濒临爆发的边缘。在301关键道具“秘钥”的调查中，一个重要嫌疑人刘子岸在众人的眼前坠楼自杀。洪少秋和叶唅赶紧投入到这个突发事件的调查之中。

在调查中取得的种种证据表明，副总工程师刘进的儿子刘子岸有重大的泄密嫌疑：五十万来路不明的汇款，一封重要的遗书，用掺杂安眠药的牛奶窃取了另外一位副总工程师商菲菲的秘钥，以及深夜潜入刘进办公室的监控录像。这一切都几乎在说明刘子岸此次行为是畏罪自杀。但是洪少秋和叶唅都对监控录像中出现的一名“黄伞女子”产生了怀疑。张妍有了一个新的男性朋友高一天。一次攀岩运动中，高一天因为救失足的张妍而受伤，二人的感情逐渐升温。洪少秋又一次因为叶唅擅自“家访”而大发雷霆。就在调查顺利进行中的时候，301的另外一位元老，后勤处处长蒋文锁接到了一个神秘的电话，通话的对方是“汤姆猫”。

“汤姆猫”告诉蒋文锁三把秘钥的复制品都已经搞定了，它要挟蒋文锁去数据终端库窃取数据。与此同时，洪少秋机敏的嗅到了味道，他带着叶唅潜伏在301，等着那条准备上钩的大鱼。蒋文锁战战兢兢的按照“汤姆猫”的吩咐，以检查设备的名义去了数据终端库，“成功的”窃取了数据，刚刚迈出大门，就被请进了洪少秋早已准备好的临时审讯室。沮丧后悔的蒋文锁讲述了自己一步步被“汤姆猫”利用的经过，并且交代了自己窃取张西洋秘钥的罪责。洪少秋在惋惜之余冷静的判断现状，准备将计就计，用蒋文锁把身后的神秘人引出来。

蒋文锁如约去送货，取货人也如期现身，并且被侦察员们快速锁定，就是前几天在网吧泄密的那名红衣女子。洪少秋布下天罗地网，然而却在追到一个公共厕所以后，这名红衣女子再次人间蒸发。在事发商场的排查中，洪少秋碰到了张妍的男朋友高一天，他正是这所商场的老总，洪少秋对此人产生了一种莫名的感受。回到单位，洪少秋首先面临的是叶唅劈头盖脸的责骂。之后，强压怒火的洪少秋在监控视频中发现端倪，消失的红衣女子的真身是名男性。这个人的本命叫凌小松，是间谍组织的信使。与此同时，间谍组织的执行人黄薇薇命令杀手钱守成要在国安之前除掉凌小松。在掌握了凌小松住地之后，洪少秋和叶唅迅速实施抓捕，成功的把凌小松锁定在一个陌生家庭的房间里。