1941年百团大战之后，日军在汪伪政权的配合下进行疯狂扫荡。天津街头，日本“百人斩”平部雄一参加欢迎庆典，国民党行动队暗杀计划失败。
打扮艳丽的陈秋雪与女扮男装的王春梅进入宴会厅。他们在暗杀行动中撞上了伪装成老头的国民党行动队队长的廖武，廖武为防止意外，撕掉了陈秋雪的旗袍，陈秋雪被迫换上日军军服，乱战中春梅负伤。侵华日军驻天津司令德川幸之助赶到宴会现下令侦查。
陈秋雪和王春梅在返回队伍的路途中遇到了伪装成八路军的林木纯一和许清萍，两人及时发现问题发出警示，阻挡了鬼子对小阳村偷袭。归队后两人因私自策划实施刺杀平部的事情，被李银龙处分。廖武也决定回师部报告消息，途中遇上再次偷袭李银龙的日本军队。
廖武等人伤亡惨重，被李银龙派来的援兵救回。
天狼星行动第2集剧情介绍廖武等人伤亡惨重，被李银龙派的援兵救回。李银龙劝说廖武加入八路军，沈柱城前来探望李银龙告诉他敌人特种作战的新动向，并传达上级的命令要求组建特殊队伍。同时，林木纯一接到德川司令的委托负责督办平部雄一被刺杀一案。
陈秋雪告诉沈柱城整个行刺的过程，沈柱城向李银龙讨要陈秋雪和王春梅作为特别行动队小组成员。为了保密，假装因违反纪律，将陈秋雪和王春梅调到被服厂工作。正当王春梅不断抱怨之时，沈柱城告诉她们是被调到了特别行动队。
天狼星行动剧照
三人换装途径茶铺时，青龙帮李红菱主动要求同行，路过村子时发现鬼子正在残杀百姓，李红菱忍不住出手，沈柱城三人也加入战局，最终全歼日本小分队。德川大发雷霆，命令屠村。沈柱城发现接头的人竟然是以前的恋人阿玉。廖武现身当教官，令陈秋雪、王春梅有些不服气。
天狼星行动第3集剧情介绍作为教官的廖武对不服气的两人进行魔鬼式训练。平部未死的消息传出，廖武有条理的分析让王春梅拜服。
林木、许清萍跟踪买米的王三和沈柱城。陈秋雪和廖武分别救下了二人，众人火速离开。沈柱城到美丽服装店找到阿玉，要她请示上级准备再次狙杀平部的行动。
林木在医院探望受伤的许清萍，回忆起两人小时练剑的场景。廖武打算出门打探消息，被秋雪和春梅的误会，出门后廖武赶到理发馆和国民党老申接头，购买枪支寻找平部。
德川交给林木一份关于国共共同打造特别行动队的绝密文件，接到命令的赵长风带人搜查瑞祥旅社。
天狼星行动第4集剧情介绍秋雪和春梅带着发高烧的王三逃了出来，沈柱城和廖武合力摆脱追捕。回到旅馆的廖武，无意中撞见了撬门偷盗的乌青青，走错房间的秋雪撞见了青青的师兄杜鹏，混乱中，廖武不得不火速离开，与陈秋雪擦肩而过。侦缉队抓了便衣队的人，吴宝山和赵长风之间的矛盾激化。
乌青青东答西问把审讯人员气了个半死，王春梅告诉秋雪医院住着鬼子的一个大人物，两人决定找青龙帮李红菱帮忙弄枪。陈秋雪发现乌青青的跟踪，青青说昨晚她要找的人就在隔壁。
林木探望许清萍，让她辨认廖武画像。王四企图去找日本人报仇被春梅拦下。
天狼星行动第5集剧情介绍换上了便装的林木来到天佑医院探望平部，平部强烈要求赶回前线工作。楚天飞要求廖武向他汇报特别行动队动向。陈秋雪赶去青龙帮找李红菱帮忙借枪，陈秋雪告知自己的真实身份是天狼星。顺利探听到消息的廖武回到服装店和沈柱城商量行刺平部的计划，沈柱城没有同意。
德川和林木得知有人闯进医院的消息，决定以此设局在病房埋伏。朱堂主走进当铺拜见松井吾生，被乌青青和杜鹏盯上了随从抬来的箱子。林木拿出里廖武的画像分析天狼星才是这次暗杀活动的真凶。廖武等三人打扮成医务人员混进医院，发现是圈套后逃离。
沈柱城被林木击中失血过多，廖武决定再次潜往医院偷取血浆。秋雪和春梅化妆成清洁工潜入医院，发现平部，与刚从血库出来的廖武合力追杀死平部。为了躲避敌人，阿玉安排大家住进了租界区别墅。王春梅问陈秋雪老家的事，同时德川让林木不要再插手平部被刺一事。
