上世纪50年代，由于国内外形势的发展变化，中国自主的核工业计划正在如火如荼地进行当中。在这样的背景下，一列来往于首都北京与西北核基地之间的神秘火车承担起了运送核专家前往核基地的一系列秘密任务。

　　公安神探龙飞进入到护送核专家行动组并担当了第一次运送任务的负责人，漂亮的女乘务员辛红羽对龙飞一见倾心，然而列车上的四位核专家对国家核武器研发的整体计划极为关键，龙飞责任重大，不敢有丝毫懈怠。龙飞在列车上发现并抓捕了破坏运送核专家任务的犯罪嫌疑人，在突审的当口列车突遇前方铁轨上的包裹，龙飞带人急忙赶去，不料列车突然爆炸，四位核专家当场殒命，而犯罪嫌疑人在留下了特务组织梅花党的标志后于爆炸中身亡……

　　龙飞在案件审查过程中遇到核科学家杨佑亭的女助手谢宝音，谢宝音从容淡定，秀外惠中的气质像极了自己死去的妻子，龙飞似有相见恨晚之感。杜明明是别人要给龙飞介绍的女朋友，然而却在龙飞出差期间与他的同事加好友肖克确定了恋爱关系。由于行动失败，龙飞受到降职处罚，被调离护送核专家行动组。在列车铁轨上发现的包裹被证实为遭到肢解的人体躯干，一系列的碎尸案件的频发令火车爆炸案的侦破变得扑朔迷离……

　　碎尸案的真凶终于浮出水面，凶手尹大龙异常凶残狡猾，在经过精心策划后，凶手设计劫持了秘密运送的核专家杨佑亭。经过一番侦破，龙飞、肖克等人发现了幕后指使——梅花组织的上级特务周明天，龙飞借机潜伏成特务，力图打入梅花党组织内部。不料任性的杜明明也潜伏至周明天身边，陷入与周明天、龙飞、肖克的“四角恋爱”中……

　　被劫持的核专家杨佑亭被发现有假，原来有人冒充并试图进入核基地。周明天被最终证实不是爆炸案的实施者，这背后另有其人。肖克为了杜明明的安全，将她锁在宿舍里，没有让她参与进一步的行动，杜明明之后被发现死于宿舍，肖克追悔莫及，痛苦不已……

　　周明天被打死，梅花党组织的一些成员也被缉拿归案，似乎已经平静的生活仍然隐藏了更大的罪恶与真相。谢宝音突然被绑架以及辛红羽离奇自杀，龙飞从一系列的事件中，觉察出了敌人的踪迹，原来真正的敌人——梅花党组织的更大头目就常年埋伏在公安组织的内部……