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1949年5月，人民解放军解放上海之际，中共上海地下党负责人叶正龙获悉，国民党特务组织企图炸毁我上海沪江发电厂，此企图被国民党特务组织命名为“萤火虫计划”。为了粉碎萤火虫计划，上海市公安局侦察科在科长叶正龙的带领下，和国民党特务组织斗智斗勇，展开了一系列的侦破工作，并积极设计，建设地下应急发电组。在工作过程中，出现了国民党特务组织蓄谋制造的破坏事件。经过一番努力，叶正龙不负众望，最终揪出了隐藏在我上海市公安局内部，代号为“老鹰”的国民党特务，并粉碎了国民党特务组织的“萤火虫计划”。聂远、张译分别饰演剧中的男一号和反派男一号。聂远饰演的角色是一名公安，叫叶正龙。张译饰演的高青山则是一个安插在公安局里的特务分子，企图炸掉“沪江电厂”。
高青山为叶正龙奋不顾身保卫电厂表示要向叶正龙学习，叶正龙也赞赏高青山拼命护住蔡家米仓之举。虽然有罗康事件，而且行事风格也大相径庭，但两人之间依稀有些惺惺相惜。
眼见叶正龙再次坏了自己的计划，潜伏的特务头子李少云决定让枪手陈力生出马射杀叶正龙，以除后患。陈力生伺机杀害叶正龙，正逢叶正龙与何云外出办案时，陈力生觅得下手良机。仓促混战中，叶正龙胳膊中枪，无处可避。幸亏何云及时赶到相救击毙陈力生，叶正龙侥幸逃脱死劫，但亦重伤昏迷住院。
奉命调查叶正龙中枪事件的公安马英通过分析陈力生的枪法和历次被他击中的死者中弹部位，怀疑陈力生对叶正龙手下留情，不然一个曾经弹无虚发的枪手怎么偏偏打中叶正龙的胳膊而不是致命的地方呢？难得是叶正龙有问题么？这样的发现让高青山也满腹狐疑。
蔡玉到医院看望叶正龙，与何云相遇。见何云拳拳照顾叶正龙之情，蔡玉心中大为不快。
很快，叶正龙不顾伤势就出院了，因为还有太多的谜团等着他去解开。
高青山怀疑金巧玲串通敌特，将炸弹带入电厂。叶正龙却认为金巧玲只是被敌特利用，他已经做通了金的思想工作，只要南原一露面，立即抓捕……