上世紀50年代，由於國內外形勢的發展變化，中國自主的核工業計畫正在如火如荼地進行當中。在這樣的背景下，一列來往於首都北京與西北核基地之間的神秘火車承擔起了運送核專家前往核基地的一系列秘密任務。
北京市公安特勤所所長龍飛進入到護送核專家行動組並擔當了第一次運送任務的負責人，漂亮的女乘務員辛紅羽對龍飛一見傾心，然而列車上的四位核專家對國家核武器研發的整體計畫極為關鍵，龍飛責任重大，不敢有絲毫懈怠。龍飛在列車上發現並抓捕了破壞運送核專家任務的犯罪嫌疑人，在突審的當口列車突遇前方鐵軌上的包裹，龍飛帶人急忙趕去，不料列車突然爆炸，四位核專家當場殞命……
龍飛在案件審查過程中遇到核科學家楊佑亭的女助手謝寶音。
杜明明是別人要給龍飛介紹的女朋友，然而卻在龍飛出差期間與他的同事加好友肖克確定了戀愛關係。在列車鐵軌上發現的包裹被證實為遭到肢解的人體軀幹，一系列的碎屍案件的頻發令火車爆炸案的偵破變得撲朔迷離……
碎屍案的真凶終於浮出水面，兇手尹大龍異常兇殘狡猾，在經過精心策劃後，兇手設計劫持了秘密運送的核專家楊佑亭。經過一番偵破，龍飛、肖克等人發現了幕後指使——梅花組織的上級特務周明天，龍飛借機潛伏成特務，力圖打入梅花黨組織內部。不料任性的杜明明也潛伏至周明天身邊，陷入與周明天、肖克的“三角戀愛”中……
