第二次世界大战初期，纳粹德国情报部门获得一份重要情报——苏联专门研制火箭的第二中央特别设计局火炮设计师列昂采夫，在研制自行火箭炮(卡秋莎)方面取得重大突破。纳粹德军高层出于对苏联战略计划，随即向纳粹德德国情报部门下达了不惜一切代价，将自行火箭炮图纸搞到的命令。为确保完成任务，纳粹情报部门制定代号为“天狼星”的计划。
德国在苏联的特工情报网迅速活动起来，驻苏联使馆武官很快获得了列昂采夫所在研究所工作的全部人员名单。经过慎密研究分析，他们很快找到了理想目标人选——研究所的值班门卫。他是一个白俄流亡将军的侄儿。在德国情报部门的糖衣炮弹的诱惑下，门卫很快成为一名德国间谍，同时接受了一些间谍技能训练。在一个寒冷的深夜，他利用值班之便，伺机潜入了列昂采夫的办公室，顺利地打开保险柜找到了喀秋莎的设计图，用间谍专用相机对图纸进行了拍照，然后携带的胶卷消失在茫茫的夜色中。
坐落在柏林的纳粹情报总部很快收到了盗取图纸成功的密电。纳粹特工们欣喜若狂，纳粹情报部长卡纳里斯海军上将，电令武官处：将胶卷火速送到柏林。富有戏剧性的一幕发生了——携带绝密胶卷的德国情报人员在苏联机场候机时，行李被小偷席卷一空，其中包括喀秋莎图纸的绝密胶卷。
绝密胶卷意外失手后，纳粹德国高层十分恼火，指示纳粹情报机构，继续伺机窃取“喀秋莎”的机密图纸。1941年，在德国盖世太保的精心策划下，女间谍娜塔丽以莫斯科一家歌舞团的歌手身份，在列车上“偶遇”前往莫斯科参加实验工作的列昂采夫，他们谈的很投机。并相约日后再见。此事不久，斯大林亲自下令：秘密将这种自行火箭炮列装，定名为BM——13型火箭炮，后来苏军前线官兵亲切称它为“喀秋莎”。
纳粹德国侵苏战争打响后的几天，列昂采夫被秘密安排到前线某炮兵旅参加实战，检验“喀秋莎"的实战效果。纳粹德国情报机关证实这个信息后，决定用武力绑架列昂采夫到德国，以获取自行火箭炮的机密。在其策划下，娜塔丽所在的歌舞团来到前线"慰问官兵"。可是娜塔丽始终不见列昂采夫的踪迹。她最终还是用手段通过一名喝醉酒的苏军中尉，知道了列昂采夫的前线位罝。
纳粹情报机构密令潜伏在莫斯科的德间谍，冒充苏军领导机关给前线炮兵旅发电报：将有一只来自伊万诺沃州的五人“慰问团"到前线慰问。随后，在党卫军领袖希姆莱的指挥下，盖世太保的老牌间谍彼得罗涅斯库(一战时，曾成功绑架了敌方潜艇设计师)等人由德军飞机空投到苏德前线的一个村庄。几天后，部队举行欢迎会，欢迎“慰问团”的到来。列昂采夫也到场观看。
第二天，彼得罗涅斯库请求炮旅旅长允许他们搭乘列昂采夫的汽车到前方炮兵营“慰问"。亳无警惕的旅长同意了他的请求。行驶途中，德国间谍枪杀了司机以及随行警卫，并用麻药致列昂采夫昏迷不醒。随后他们迅速驾车急速开往距苏军炮兵旅十几公里的一个废弃飞机场。按原计划他们应在飞机场搭乘德军飞机回国。可是，戏剧性的一幕再次发生了……在机场等待他们的不是德国运输机。而是荷枪实弹的苏联军队。原来，执行此次任务的德军飞机被苏联炮兵击落，在德国飞行员和间谍的尸体上，苏联情报人员发现了德纳粹情报部“天狼星”计划密写本，并破泽了它。
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