在马云飞和高寒的婚礼上，意外来客——“五号特工组”的老友老于，恳请他们再次出山，执行一项艰巨任务：追查盗窃美国核武器资料的双重间谍吉川猛夫。高寒因此成为“落跑新娘”，与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加入行动。于是，“五号特工组”的五位成员：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，奔赴前线。同时，日本方面派出了他们的秘密武器，酒井朝香——她是酒井美惠子的亲妹妹，一个更加狡猾凶狠的高级女间谍。 “五号特工组”初次行动不顺，被吉川猛夫的同伙陷害入狱，五人无奈集体越狱……一边躲避美军的追捕，一边追击吉川猛夫，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，前线士兵出现大规模病毒感染，“五号特工组”受命调查，途中与病毒事件的幕后黑手桥本擦肩而过。桥本是个视科学实验高于一切的怪人，他给高寒注射了病毒，并将她绑架作为实验对象。马云飞、李智博、何坚深入滇缅边境，经过艰难的丛林追击战，找到了敌人在缅甸的生化基地。此时，高寒为了获取病毒血清，拯救前线的战士，几乎献出了生命。 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，拒绝提供军需。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对中国画的喜好，窃得蒋介石家里的古代名画为诱饵，引诱风间义博上钩。通过卖画，深入风间义博的司令部，趁机偷拍日军晋中会战的战斗记录和花名册。此时酒井也出现了，马云飞巧妙周旋，在被识破前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。两人费尽周折，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，一下飞机就遇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，彻底瓦解了日本人的刺杀阴谋。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——这家伙是个冒牌货。 “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，同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，高寒和马云飞这一对恋人却成为了陌路。