1942年8月，稀世珍宝"北京人"头盖骨化石因太平洋战争爆发而神秘失踪，引起全世界舆论的轰动和国内各派势力以及日本侵华部队、美国文化特务的严密关注。被日本人收买的亡命之徒武元获悉曾参与过头盖骨研究的考古学家司须之教授偕女儿司文在华北某城秘密出现，正欲劫持。不料，司须之教授因病死，司文小姐也被一身份不明人士抢先带走。武元在医院扑了空，便下令戒严，全城开始大搜捕。带走司文的人叫林放，是共产党地下组织成员。为了保护祖国珍贵的文物，他在地下党领导人王掌柜的协助下，担当起护送司文出城，找到教授藏匿的资料和文物这一艰巨任务。为了早日出城，林放设计欲除掉心狠手辣的武元。武元侥幸逃生，他恼羞成怒，亲自布置了抓捕林放的行动计划。特务终于发现了林放的行踪。一场紧张的追逐和激烈的枪战后，正当林放寡不敌众、进退无路时，日本女子信子将他搭救 。孰料这正是武元布下圈套，林放落入虎口。酷刑之下，他缄默不语，宁死不屈。受美国人詹姆斯支使的特务孙秀和日本宪兵木村派人伪装地下党，解救了林放，企图由此找到头盖骨的线索。林放识破真相，将计就计，借机逃脱。他迅速同王掌柜接上关系，利用市长迎接伪中央特派员之机，混入车队，带着司文母子冲出城去。为掩护战友，王掌拒不幸遇难。司文对林放始终存有戒心，王掌柜的牺牲，林放的真诚相救，使她深受感动。当她听到林放轻轻哼起的一首歌时，认出林放就是孩提时一起玩耍的小放哥、疑团尽释。两人忆起儿时抚养过他们的奶奶，想到了一块儿长大的小伙伴二光头……真是狭路相逢，一路追杀林放的亡命徒武元正是二光头。当他得知他的冤家对头就是林放和司文时，使出苦肉计，扣住司文的孩子小南做人质，又将奶奶绑吊在树上威胁。18年无音讯，如今竟刀枪相见，林放惊住了。司文不忍让亲人受苦，便挺身而出，讲出了宝箱藏匿地点，救出了奶奶，并让武元放走林放，然后自己驾车撞崖而死。为争夺头盖骨，孙秀、武元、木村、信子之间又展开了一场狗咬狗的恶斗，最后四败俱伤。待武元最后撬开箱子时，见只有几根破骨头，方知上了司文的当。白雪皑皑，林放怀抱死去的司文，静静地站着。一阵枪响，他们一起倒下，俩人的身躯在雪地上拼成了一个"人"字……北京人头骨的下落，至今仍是个谜。