1945年，日本投降，国民党谋划对中共开战。国民党安插入共产党内部的特务孟朝阳身份暴露而死，但同时共产党在国民党内部的人员名单遭出卖……共产党情报战线面临危机！一名普通的机要秘书高志华临危受命，假扮孟朝阳“回到”国民党电讯处，潜伏于国民党内部，获取国民党机密情报，代号“启明星”。
未料高志华刚入国产党，就险被识破。第一个怀疑他的是个名叫宫丽的破译官。
宫丽，留洋归来的女军官，桀骜不驯，放荡不羁，却有一手超强的破译技巧，是国民党重点想要发展的对象。
宫丽和高志华之间冲突不断，争执百出。因为发报频率的不同，宫丽对高志华的身份产生了怀疑，这时高志华伸出早就自断的手指，才逃过一劫，但宫丽仍对他耿耿于怀。
高志华逐渐受到了处长刘明远的重用，成了宫丽的直属上司，可宫丽完全不受他管制，我行我素。
军统局电讯处处长刘明远发展宫丽加入国民党不成功，便暗中绑架了宫丽姐姐宫玉。因为姐姐被人抓走，宫丽无奈之下留在了国民党工作，而在相处之下对真诚坦率的高志华产生了好感。宫丽寻找姐姐不成，去寻短见，却意外被高志华所救，送进医院。高志华意外发现自己在延安的恋人康晶晶被党组织派来潜伏在医院，平时以医生身份作为掩护，必要时候接应高志华，代号“海冬青”。
国民党行动处潘久阳和赵南仍旧怀疑高志华的身份，于是找来孟朝阳的大学同学关群对证，以证实高志华的真实身份。关键时刻，康晶晶成功将关群刺杀，暂时解除了危机。潘久阳耿耿于怀。
重庆谈判开始在即，高志华通过宫丽的圆珠笔管成功传出国民党对共产党“先安抚后剿匪”决策的重要密报，使得宫丽知道了高志华的共产党身份，但宫丽对其已有好感，并没公诸于世。因此，国民党内部大乱，潘久阳对高志华愈加怀疑，很快掀起了新一轮的调查行动。此时，电讯处来了个新同事——韩小溪，宫丽很是喜欢，认作妹妹。刘明远声称是特地找来陪宫丽的，但她其实是刘处长的专属情人。
高志华一早怀疑绑架宫玉的正是刘明远。经过暗查，果被高志华查到了刘明远囚禁宫玉的据点，他很快将情报传递给康晶晶。康晶晶与几个同志携手，成功解救出了宫玉，并安全送到延安。因为此事，宫丽更加坚定了对高志华的爱意。
国共重庆谈判在即，共产党收到消息，国民党内军阀重金买凶王小山，以刺杀毛主席，王小山的行动被高志华成功化解。此时，共产党一名同志被暗杀牺牲，让共产党意识到队伍内部仍有遗留的特务分子，于是派高志华去查出窝藏在共产党内部的国民党特务名单。但潘久阳早就对高志华所在的电讯处有所防备，任务自然没那么容易完成。另外，潘久阳也开始怀疑康晶晶的身份，派赵南查她的底细。危急中，康晶晶掩护高志华发出了特务名单，却失去了逃跑的机会，康晶晶选择了自杀。
康晶晶死后，高志华痛不欲生，他不顾一切消灭了赵南。宫丽替高志华做了善后工作，制造迷局，成功嫁祸赵南是地下党。宫丽不止一次向高志华表达自己的爱意，却屡屡遭到拒绝。为了能够与高志华走到一起，宫丽申请加入共产党，但高志华却认为她动机不纯，并没有坚贞的革命理想，迟迟不肯同意。
叛徒李国胜投靠国民党，潘久阳借此决定给“启明星”致命一击。眼见高志华的身份暴露，危在旦夕，宫丽协助高志华成功将李国胜刺杀，化险为夷。本以为行动万无一失，但最终还是被潘久阳发现了蛛丝马迹。宫丽精心布下迷局，将潘久阳的视线引向别处……得益于宫丽的缜密和严谨，潘久阳始终也抓不住高志华的把柄。
可是纸究竟是包不住火，潘久阳通过美国的弹壳鉴定专家的证据分析，锁定了高志华正是“启明星”。最终的决战中，高志华牺牲，潘久阳也死在了高志华的枪口下。
宫丽被事实与死亡唤醒，继承了高志华遗志，成为了共产党又一颗冉冉升起的“启明星”。