1948年的北平，守城的国民党108师副师长接到密令，要在北平主要的名胜古迹附近全部开掘地道暗室，并提前埋装炸药，北平一旦失守，同时引爆……此次行动的代号为Ｘ计划。仁德医院的护士林倩茹在上夜班路上遇到流氓，关键时刻被青年周伯勋搭救，二人互生好感。林倩茹的表弟焦志新是清华建筑系的大学生，在老师李正亭的带领下被国民党关在建筑设计所内日夜赶制有关北平的文物建筑图纸。李正亭突然从地下党负责人章少川处得知了敌人准备爆破北平历史名胜古迹的阴谋，他决心将所有绘制的图纸藏起来。李正亭教授为了保护图纸不幸牺牲，临终前将图纸托付给焦志新。建筑学家苏云轩是李正亭的好友，他的日本妻子秀子带着大女儿苏雅刚刚从日本回到北京。苏云轩的小女儿苏小枫是个钢琴演奏家。 焦志新在危急中将图纸埋在郊区河边，然后找到苏云轩并告知了一切，苏云轩答应尽力帮助他。焦志新在离开苏家后便遭追捕，没想到带人逮捕他的竟是周伯勋--国民党108师的副官……

日本关东军的佐藤是国民党108师的俘虏，Ｘ计划中已经开掘出的部分地道就是由他负责实施的。他要求回国并把他的名字从战俘的名单中消除，108师稽查处处长侯天柱很快答应了，条件是他能将焦志新藏匿的图纸找回来。周伯勋在侯天柱的监督下对焦志新执行枪决，他一枪命中焦志新，侯天柱露出满意的笑容。夜里下起了瓢泼大雨，奄奄一息的焦志新被雨水浇醒，他艰难地爬出了刑场……佐藤果然履约将图纸送回，侯天柱大喜。苏家姐妹隐约感觉到了父母之间的不和，秀子在女儿面前掩饰着心中的痛苦，她惟一可以诉说的对象就是苏云轩的好朋友、教堂神父马约翰。 焦志新终于死里逃生，他醒后的第一件事就是去寻找他埋放的图纸，但图纸已经不在了，他冒着危险找到苏云轩询问，苏云轩却告诉他从来没去取过图纸。焦志新一直暗恋着表姐林倩茹，想到追杀并对自己执行枪决的仇人周伯勋这时可能正和倩茹打得火热，他决定报仇。在一个酒会上，他对周伯勋行刺，周伯勋在倒下的一刹那扣动了扳机……

焦志新被警察追捕，陪同母亲来参加酒会的苏小雅救了他。第二天全城戒严进行大搜捕，章少川紧急安排将焦志新送往解放区。苏云轩好朋友的儿子史仲良一直在公司里给苏云轩当助手，他喜欢苏小雅并主动追求。苏云轩夫妻的关系越来越紧张，两人之间终于爆发了激烈的争吵，秀子一气之下决定回日本，苏云轩并未阻拦。很快，传来了秀子所乘坐的客轮出事的消息，小雅在遇难者名单中见到了母亲的名字，悲痛欲绝。在林倩茹的精心护理下，周伯勋终于苏醒。 侯天柱到医院看望周伯勋，告诉周伯勋将在报上刊登他不治身亡的消息，目的是让周改名换姓后潜伏下来。周伯勋于是更名为冯秉堃。佐藤以美国中央情报局远东分部少校谍报组长的面目返回北平，开了一家私人诊所，公开身份是牙医。全国解放，已变身为医药贸易公司经理的周伯勋与林倩茹在教堂举办了简单的婚礼。 身着军服的焦志新回到北京，他报到的单位是北京市公安局侦查处，而章少川已成为北京市公安局的副局长……