1969年的春节，太原火车站内满是提着大包小包的旅客，车站内嘈杂不堪，人来人往。在众多的旅客中，有两个身形干练的男子，不时的环顾着四周，与这些着急赶路的旅客们形成了鲜明的对比。
这两个人是太原保密单位703研究所的工作人员，两人分别是秦家康和杨晓晨。而他们此次来到太原火车站，不是回家探亲，而是护送一个重要的仪器到北京，这个重要的仪器便是大陆研发的氢弹上的一个零部件，自动仪。
一般来说如此重要的机械设备，都是由专车和武警人员专程护送的。但是像自动仪这样的小型设备，便不必大动干戈，由保密人员尽量简单的护送即可。但是即便这样，秦家康也是挑选了一名自己十分信任的部下，曾经受过专业训练的杨晓晨。
有了杨晓晨和秦家康的护送，这趟任务并不算难以完成。但是两人仍然十分地警惕，因为他们知道，黑色背包里的这个小物件，事关大陆氢弹研究的进程，一旦弄丢，两人可能这辈子都要呆在监狱内了。
此时距离太原开往北京的火车还有几分钟就要出发，秦家康在上车前抽了最后一口烟，随即和杨晓晨一起踏上了这列绿皮火车。火车内到处是探亲结束返程的旅客，十分嘈杂，车厢内也是乱哄哄的。秦家康扫视了一眼车厢，在车厢前部的位置找到了一个空余的行李架，将黑色背包放在了上面。同时为了保险起见，秦家康用一条金属的锁链，将黑色背包拴在了行李架上。
秦家康做回了自己的座位上，而杨晓晨则坐在他的对面，他的眼睛一刻也不敢离开那个黑色背包。车厢内的旅客们此时已经就座完毕，列车也已经启动。奔波许久的旅客，开始在列车上放松休息，不时有人拿出各种鸡腿泡面开始啃了起来，而这些香味也引得秦家康直流口水。
两人一大早就从保密局出发，一刻不敢耽误的守候在火车站，此时已经过了大半天，时间到中午了，而两人从早上开始就一口饭都没吃。火车内不时有列车员推着小车经过，列车员一边吆喝着，一边将推车上刚刚做好的烧鸡打开了一个小口，一时间香味弥漫着整个车厢。
等到小推车走远了，秦家康这才决定，即便要完成任务，也不能一路饿着肚子去北京。他让杨晓晨去前面的车厢找列车员买烧鸡，顺便再带两瓶酒回来。杨晓晨虽然觉得这个说话买酒不太合适，但既然是领导的指示，他也不好拒绝，于是起身往前方的车厢走去。
很快杨晓晨就带着一只香喷喷的烧鸡，和两瓶白酒回来了。秦家康看着杨晓晨笑了笑，对他说别饿肚子，一起吃点，而杨晓晨也点了点头，两人开始品尝起美味的烧鸡。半只烧鸡下肚之后，秦家康很想来两口白酒，就着白酒吃烧鸡多惬意。但他又猛然意识到，自己还有任务在身，要是因为这杯白酒坏了任务，那就得不偿失了。
两人吃完烧鸡之后，时间已经来到了晚上八点多，离火车到站只有不到一个小时的时间。此时的车厢内弥漫着一股倦意，所有的旅客都昏昏欲睡，昏暗的灯光伴随着列车的晃动，秦家康和杨晓晨两人也开始有了些倦意。此时秦家康拍了拍杨晓晨的肩膀，和他说还有半个小时就到站了，打起精神来。两人这次你一言我一句的相互说话，避免困意的侵袭。
不久之后，火车终于到站，秦家康也如释重负的呼了口气，这趟紧张的旅程终于快要结束了，而一路上也没有什么意外的事情发生，这让他放心了不少。穿过人群，秦家康走到了黑色背包前，当他拿出钥匙开锁时，却意外的发现那根栓包的链子松松垮垮的。
秦家康的脑海里闪过不好的念头，他赶忙将背包打开，只见背包内的仪器早已不见踪影，取而代之的是两团大小相仿的报纸。秦家康只感到一阵眩晕，背后冷汗直冒，随即大声向杨晓晨喊道，赶紧在检票口堵人。
此时的杨晓晨正在和车站工作人员联系着，而秦家康则赶紧打电话给仪器的运送地国防科委打电话，当国防科委知道事关重大之后，立刻联系了总理办公室。
在北京的一处别墅内，时任公安部部长的谢富治在自己的大浴缸内泡着澡，雾气弥漫着他的脖子。谢富治扭了扭自己的脖子，享受着久违的放松。就在这时，卧室内的电话铃声突然匆匆响起，谢富治从浴缸中慢慢的爬出来，一边擦拭着身体，一边接了电话。
当电话那头表面是总理办公室时，谢富治这才赶忙端正了身体，当听到电话来意之后，谢富治的内心也是无比的焦急。早在总理办公室打来这通电话之前，谢富治就已经知道了氢弹研究仪器丢失的事情，但他却根本没放在心上，依然在别墅内享受着生活。
很快在总理办公室内，他收到了一份黑色的文件袋，里面是关于这次仪器丢失事件的详细信息，而总理也给他下了最后通牒，如果仪器丢失案件不能在十天内破案，拿他是问。
谢富治知道此事事关重大，弄不好就要晚节不保，连自己头上的乌纱帽可能都要丢掉。谢富治立刻打电话给手下，让出入境部门加强警戒，所有的信件往来全部暂停，防止仪器被寄送到境外。另一边，谢富治召集了公安部的高层，立刻召开会议商讨仪器丢失事件的解决方案。
当时参加会议的全部是各地公安部门的一把手，包括山西、河北以及北京的公安局局长，铁道部公安局的局长，和谢富治的手下黄碧华等人。
黄碧华在谢富治手下工作多年，在无数大大小小的案件中都立下了汗马功劳。因此面对这样一件棘手的案子，谢富治成了了专门的案件小组，任命黄碧华为专案组组长。黄碧华很快将案件的相关资料打印了出来，给参会的每位人员都分发了一份。
黄碧华向众人解释，此次在太原开往北京的列车上丢失的氢弹自动仪，是氢弹研发的关键部件，一旦丢失，将对大陆的氢弹研发事业造成不可估量的损失。总理也知道了此事，并且只给他们十天的时间破案，如果不能在十天内解决此事，所有的人都将被严厉问责。
在会上众人对案件进行了分析，绝大部分人都认为这次案件由于丢失物件的特殊性，因此犯罪分子极大可能是一名特务，而在当时特务的身份无外乎以下击中可能。第一就是台湾方面派来的特务，此前在大陆境内就抓获过多名台湾派来的特务，而他们的任务无一不是通过各种方式阻挠大陆的科研事业发展，对新中国的发展造成打击。另一方面就是苏联派来的特务，由于当时大陆与苏联方面关系已经破裂，苏联也撤出了相关的专家。为了打击新中国在国际上的地位，不排除苏联派出相关的特务来干扰中国的科研进程。
而时任铁道部公安局局长的刘华林，却给出了一个不同的观点，依据他多年来对于铁路干线犯罪事件的研究，他觉得这起盗窃事件也许只是一起普通盗窃案，犯罪分子或许根本不知道背包里的物件是什么。
在参会的众人众说纷纭之时，时任北京市公安局局长的高阳明，对犯下了重大过错的秦家康和杨晓晨两人开始亲自审问。在不断的审问之下，秦家康开始回忆起在列车上发生的点点滴滴。多次回忆之后，一个细节终于引起了他的注意。
秦家康说刚上列车时，就有一个男人将黑色背包放在了他的旁边，但是因为列车上旅客较多，大家的行李都差不多，他也没有注意。这个男人有着一头深黄色的头发，而且说话声音很轻。
根据秦家康提供的这个线索，公安部门开始对于有相关特征并乘坐过此次列车的嫌疑人展开了抓捕。在多番寻找之后，公安部门锁定了一个名叫司马远的人，此人曾经登记的签名是繁体字，很快警察就在司马远居住的旅馆将其抓获。
但是在运送司马远回派出所的过程中，居然意外发生了一场车祸，而当警察从车祸现场的汽车中爬出来时，才发现司马远人已经不见了踪影。他们在周围进行了大范围的搜寻，却一直没有任何收获。之后在公安机关的计划之下，所有的警察都在附近隐藏了起来，造成已经离开事故现场的痕迹。
不久之后，警察终于在附近的一个小旅馆内将司马远抓获，而当警察问起他氢弹零部件被丢到哪里时，他却表示根本不知情。这时警察才破获了司马远的真实身份，他是台湾来的一名间谍，与此次氢弹零部件丢失事件没有关系，但是也曾多次在内地进行情报窃取工作。在司马远的供述之下，警方抓获了多名台湾方面的特工。但是关于氢弹零部件丢失的案件，就这样又失去了线索。
此时的黄碧华内心十分焦虑，谢富治交给他的任务，现在是一点线索都没有，而总理给他们的时间只有十天，眼见就快到期限了。这时一通电话给黄碧华带来了希望，原来是手下向黄碧华推荐了一个人。这个人身形瘦小，但是办案经验十分丰富，此前曾破获过故宫盗窃案、卢沟桥碎尸案等多起难度极大的案件，让他加入专案组，说不定对案件进展能有不少帮助。
很快这位名为郭应峰的判案专家就加入了专案组，而他到来之后的第一件事，便是从盗贼换下来的黑色背包入手。在对黑色背包进行仔细地翻看和检查之后，郭应峰在背包没发现了一个红灯牌的护肤品。
凭借着这条线索，郭应峰断定这个窃贼很可能是一名女性，而且这个牌子的护肤品，并不是什么高大上的牌子，但是对于当时的农村女性来说，价格也不算低廉。因此郭应峰将这名女性窃贼的搜寻范围从城市和农村缩小到了乡镇，在当地的乡镇展开了大范围的搜捕工作，将一切符合犯罪特征的嫌疑人都进行锁定，进行密切的跟踪和观察。
专案组沿着太原铁路干线，将最近附和作案特征的嫌疑人档案都进行了调集，其中有四名女性嫌疑人都在监狱内，而一位外号蝴蝶的女人，却依然在外游荡。
专案组人员将蝴蝶的藏身之处锁定在了阳泉某旅馆，即将准备展开抓捕行动时，郭应峰却拦住了他们。郭应峰说抓到这个犯罪嫌疑人并不是他们的最终目的，更为重要的是，弄清楚氢弹零部件的下落。因此郭应峰想了一出戏，来迫使这个蝴蝶自己说出氢弹零部件的下落。
几天之后，郭应峰出现在了蝴蝶旅馆旁的饭店内，而蝴蝶此时正在饭馆内吃午饭。郭应峰假装自己是一名工厂的采购员，与邻座的几个小伙子开始攀谈起来，一边喝着酒一边吃着小菜，好不快活。
此时一位乡下人来到了饭馆内，当他点完菜之后，从手中打开了钱包，这一下却是引起了蝴蝶的注意，这个乡下人的钱包内全是百元钞票，塞的鼓鼓囊囊的。过了十分钟左右，郭应峰向这位乡下人借了个火，并且在几秒钟之内，就将这个乡下人的钱包给顺走了。
而这一切全部被蝴蝶看在眼里，同为盗贼，蝴蝶是佩服的五体投地。吃完饭之后，蝴蝶跟着郭应峰来到了旅馆，想要让郭应峰教她几手。而郭应峰则问她前几天是不是偷了一个黑色的背包，蝴蝶想也没想便说，本来还以为能赚一笔，结果里面只有一块废铁，直接被她扔到旅馆外的花坛里了。
话音刚落，门外的公安人员立刻上前将这位名为蝴蝶的女盗贼抓捕归案，而之后专案组也是在门外的花坛内找到了这块丢失的氢弹零部件，顺利的破获了案件。正是由于郭应峰的机灵和细致，才找到了这块丢失的零部件，让大陆的氢弹研发工作顺利完成。而盗窃氢弹零部件的蝴蝶，以及在护送任务中犯下重大过错的秦家康和杨晓晨，最终也受到了法律的严厉制裁。