马云飞和高寒婚礼的当天，来了一个不速之客——“五号特工组”的老朋友老于，恳请他们再次出山，执行一项别人无法完成的任务追查盗窃美国核武器资料的双料间谍吉川猛夫。为此，高寒做了落跑新娘，跟随欧阳剑平和李智博赶赴云南接受任务，马云飞和何坚也被迫出山，于是“五号特工组”五位成员语言专家欧阳剑平、爆破专家李智博、特工马云飞、密码专家高寒、“神偷”何坚再次集结上了前线。同时，日本方面派出了他们的杀手锏，酒井朝香——她是酒井美惠子的亲妹妹，一个手腕更加毒辣凶狠的高级女间谍。

“五号特工组”出师不利，被吉川猛夫还没有暴露的同伙陷害入狱，五号无奈之下集体越狱。一面躲避美军的追捕，一面追击吉川猛夫，最终揪出了美军内部的叛徒，抢在酒井朝香之前找到了失窃的核武器资料。

战事愈演愈烈，前方战场的士兵出现了大规模病毒感染，五号特工组受命调查，路上和这场病毒站的祸首桥本失之交臂。桥本还是个视科学试验高于一切的科学怪人，他给高寒注射了病毒，把她当试验品绑架走，一路细心的保护研究。马云飞、李智博、何坚深入滇缅边境，经过艰难的丛林追击战，摸到了敌人在缅甸境内的生化基地。此时，高寒为了拿到病毒血清，解救前线的大批战士，也差点献出了生命。

战事紧急，正面战场物资短缺。蒋介石盯上了阎锡山早年私藏的军火，阎锡山以军火库建造者李阳失踪为由，不为蒋介石提供军需。戴笠不得不再次求助于五号特工组，让马云飞四人潜入山西，寻找军火库建造者李阳的下落。五号特工组利用日军司令风间义博嗜爱中国画的喜好，窃得蒋介石家里的古代名画为诱饵，钓了风间义博上钩。籍由卖画，深入风间义博居住的司令部，趁机偷拍日军晋中会战战斗记录和花名册，此时酒井也来了，马云飞巧妙周旋，在被识破的前夕，顺利逃出日军司令部。五号按图索骥，马云飞、何坚通过假招供的手段，进入康坑归化监狱。俩人费尽周折，终于取得了监狱里犯人领袖朱非的信任，协助他越狱。朱非行动失败，临死前告诉马云飞，自己就是李阳，五号终于抢在日本人之前找到军火库。

五号特工组带着宋美龄心爱的国画回到重庆，准备完璧归赵，一下飞机就碰到了来华援助的美国飞虎队队长陈纳德在机场遇袭。五号特工组没来得及脱身，被老于和戴笠堵在了门口。五号从重庆机场枪击现场查起，利用物理、枪械等知识，依靠心理学和推理演绎等手段，从极为有限的线索中还原了枪击现场，并沿着蛛丝马迹，彻底瓦解了日本人了刺杀阴谋。揭开真相后，马云飞等人奉命保护陈纳德来重庆；陈纳德夫人为了确保陈纳德安全，还请来了美国的安全顾问罗特。罗特到达后，对马云飞等人的行动多有指责，而层出不穷的意外，也让五号特工组屡屡陷入被动。马云飞等人几经周折，发现一切事件的真凶，是安全顾问罗特造成的，他是个冒牌货。

五号特工组接到中国远征军孙立人将军的邀请，送一份重要的河道图去缅甸，和他们通行的还有随行记者崔媛媛，马云飞的老同学，高寒为此吃醋不已。他们都不知道此时的崔媛媛其实是易容后的酒井朝香，酒井杀害并冒充崔媛媛跟着五号的目的是混入远征军基地，配合日本轰炸机实施轰炸。只有高寒一个人识破了崔媛媛的面目，其他人却都认为她是在吃醋起疑，不相信她的话。当大家一个个被易容的酒井送进陷阱，指引日本轰炸机的篝火即将被点燃的时候，离队许久的欧阳剑平带着陈纳德的救援赶到。酒井朝香重蹈了她姐姐的命运，五号特工组又一次团聚。