《五号特工组2》是一部由赵青导演，于震、王丽坤、刘琳、淳于珊珊、施京明和张龄心主演的国产剧。故事发生在马云飞和高寒的婚礼当天，他们迎来了一个不速之客——老朋友老于，请求他们再次出山执行一项别人无法完成的任务：追查盗窃美国核武器资料的双料间谍吉川猛夫。
为了这个任务，高寒做出了落跑新娘的决定，并与欧阳剑平和李智博前往云南接受任务。马云飞和何坚也被迫加入行动。五号特工组再次集结并进入前线。然而，在调查过程中，他们遭遇到困境并被陷害入狱，只能集体越狱。
在躲避美军追捕的同时，五号特工组继续追击吉川猛夫，并最终揭露了美军内部叛徒，并找到了被盗取的核武器资料。战事逐渐升级，在与祸首桥本对峙时失去机会。
五号特工组深入滇缅边境，在艰难的丛林追击战中找到了敌人在缅甸境内的生化基地。与此同时，高寒为拿到血清不惜牺牲自己来拯救前线士兵。
战局紧急之际，蒋介石盯上阎锡山早年私藏的军火库，并以军火库建造者李阳失踪为由向他施压。五号特工组潜入山西寻找李阳的下落，并利用日军司令风间义博对中国画的喜好，成功引诱了风间义博上钩。
通过卖画，他们深入到风间义博居住的司令部，并偷拍了日军晋中会战战斗记录和花名册。与此同时，酒井朝香也出现在场景中，在被发现之前顺利逃离日军司令部。
五号特工组带着宋美龄心爱的国画回到重庆准备完成任务。然而，在机场被袭击事件中遭遇困境并被堵在门口。经过调查和推理演绎等手段，最终瓦解了日本人的刺杀阴谋。
真相揭开后，马云飞等人奉命保护陈纳德来到重庆。然而，他们发现所有事件背后真正的幕后黑手是冒牌货安全顾问罗特。五号特工组接到中国远征军孙立人将军邀请前去缅甸送一份重要河道图，并有随行记者崔媛媛。
然而，他们都不知道此时的崔媛媛实际上是易容后的酒井朝香，她杀害并冒充了真正的崔媛媛以混入远征军基地，并协助日本轰炸机进行轰炸。只有高寒一个人识破了酒井朝香的真面目。
当大家一个个被易容成酒井送进陷阱、指引日本轰炸机点火时，离队已久的欧阳剑平带着陈纳德前来救援。最终，在五号特工组再次团聚之际，高寒和马云飞这对恋人却变得如陌路般。