《国家机密2》是一部由安建导演执导的国产剧，谷智鑫、温峥嵘、丁勇岱等众多明星主演。故事开始于林云飞接到副科长董智超的电话，得知八所秦工程师在火车站丢失了装有重要科研项目的机密文件包。这引起了上层领导的高度重视，林云飞被派往铁路公安局处理此案。
林云飞和侦察员曹阳赶到铁路公安局后，董智超告诉他们公安已经破案，并认为这只是一起普通的盗窃案件。然而，在观看对小偷审问录像时，林云飞发现了一个破绽，并立即向处长洪子城报告。洪处长凭借自己丰富的侦破经验敏锐地意识到可能是一起间谍案件，并决定接手此案并采取行动。
在对八所相关人员进行甄别排查时，发现张铨有重大嫌疑。就在将要对他进行询问时，张铨突然被杀害。警方拘留了三名可能杀害张铨的嫌疑人，并对他们进行审问。然而，这三个人的表现似乎都符合逻辑，也没有杀害张铨的动机。与此同时，上级通报称失窃情报可能会在48小时内通过卫星自动发射。时间一分一秒地过去，案件毫无进展。
林云飞提出了一个大胆的想法，在失窃情报即将自动发射的关键时刻，他运用特殊侦察手段迫使代号为"无面人"的境外间谍分子低头认罪，并成功截获了失窃情报。然而，在庆祝胜利时传来一个意想不到的消息：本市另一个国家航天重点科研机构——动力所的重要科研计划已经被泄露到境外。
在案情分析会上，关厅长带来了年轻女侦察员石慧，并任命她为侦察科新科长负责专案组的侦破工作。这让副科长林云飞和董智超感到困惑。为了便于侦破此案，上级决定派林云飞以动力所办公室副主任的身份进入动力所进行跟踪侦察。
林云飞利用办公室副主任的身份对全所重要部门、重点区域和关键人员进行了细致检查，但没有发现任何可疑情况。这时，石慧提出对全所进行一次全面的安全检查，结果发现火箭燃料K1样品少了，并且没有找到任何线索。林云飞非常自责地回想起在动力所的每个细节，并突然想到一个重要人物——袁知方可能是监守自盗。
经过严密侦察和分析，证实了林云飞的想法：袁知方为了儿子不得不违心地做出危害国家利益的行为，并揭示出背后有一个代号为"戴安娜"的境外间谍小组。专案组果断行动，抓获间谍嫌疑人，并在机场截获K1样品。然而，在对样品进行检验时发现少了一半……戴安娜背后肯定还有更危险的人物，而这个人物的身份成为破案的关键。
随着侦察工作深入展开，一个神秘女人出现在侦察员们的视线中。她就是与林云飞有过交往的TTC公司董事长金梦。经调查发现，金梦在国外加入了A国间谍组织，并利用我国改革开放之机，在本市成立了TTC公司，其目标是窃取我国高科技情报。这家TTC公司很可能是境外间谍组织设立的重要基地。
金梦对林云飞有副省长亲戚背景特别感兴趣，并邀请他到TTC公司工作。面对这一情况，石慧建议派林云飞渗透进入TTC公司进行近敌侦察。境外间谍组织指示金梦对林云飞进行严密考察，并甚至采取刺杀石慧来考验他。
在石慧等侦察员紧密配合下，林云飞化解了一次又一次危机，并逐渐赢得了金梦对自己的信任。然而负责安全组织工作王跃龙对林云飞仍然不放心。正当林云飞在TTC公司顺利展开工作时，动力所的火箭燃料样品K2配方再次被窃取……