1941年，日本天皇制定了以北京猿人头盖骨为核心的特种作战计划，欲将北京猿人头盖骨化石占为己有，因此一场围绕头盖骨化石争夺与保护的秘密战争就此展开。
我地下党员周大海与刘云翔接头，准备回京实施保护头盖骨的计划。可周大海的行踪被叛徒阿三出卖，他们遭到日本特务的围攻，生死关头刘云翔掏枪假装打死周大海后再设计掉包将其救出。刘云翔就此背负上了杀害共产党人的叛徒骂名。日本人觊觎北京人头盖骨的消息不胫而走，国民党北平行动组组长肖斌用仿制头盖骨设下圈套，设计让飞贼草上飞偷走假头盖骨来谜惑敌人，不料行动过程中却被刘云翔的父亲，科学家刘昭发现。军统特务王四易担心整个计划暴露，毅然决然地枪杀了刘昭。
刘云翔奔丧回北平，誓要查清真相，并悬赏被盗的头盖骨从而寻找父亲被害的蛛丝马迹。
王四易暗中协助地下党员梅芳，以自己伪警察侦缉队长的身份救出几个地下党同志后获得了梅芳的信任。同时梅芳和高明远认为刘云翔有叛徒嫌疑，要将其找回审问。
电视剧刀出鞘剧照
草上飞在当铺暴露。当铺老板随即派人跟踪。日军情报头目佐佐木来找死囚铁头，因为铁头乃是草上飞先前所在帮派“飞龙帮”的老大，佐佐木欲利用其母亲的性命来要挟铁头为天皇卖命。王四易在当铺老板那儿得到草上飞的消息，先行一步捉住了草上飞后通知刘云翔。
刀出鞘第2集剧情介绍王四易担心自己所设的阴谋会露出马脚，便先下手为强，杀了草上飞。等到刘云翔赶到的时候看到的只有一具冰冷的尸体，刘云翔在草上飞身上搜出了父亲留给自己的怀表，这让刘云翔误认为，杀父仇人就是眼前的草上飞。
日本军人谷田一赶到现场，将刘云翔和王四易带回审问，两人互相在手上写字，串好了供词，默契无间没有露出丝毫破绽，最终被佐佐木放出。
刘云翔觉得父亲之死绝非一个江湖飞贼所为，因为江湖飞贼根本不会了解头盖骨的价值。刘云翔将怀疑的目光放到了王四易身上。同时，地下党人高明远和梅芳，密谋要对刘云翔开始实施行动。
王四易遭刘云翔怀疑，军统特务于是欲除之而后快。肖斌准备狙杀刘云翔时，地下党人高明远正好化装来见刘云翔，欲将其逮捕审问。两人见面时，等待杀机的肖斌扣动扳机，刘云翔安然无恙，高明远却被呼啸而来的子弹掠走生命。这一切被梅芳看在眼里，她误以为是刘云翔设下圈套将高明远杀死，对刘云翔叛徒身份的怀疑愈加加深。
在两股势力眼中刘云翔的身份越来越模糊。刘云翔随即被日本人带走审问，审问过程中刘云翔故意表现出慌乱的神情，更说出自己曾经在上海枪杀过共产党员的事情以此瞒天过海。夜里当刘云翔被日本人释放时，却遭报仇心切的梅芳持刀袭击，刀刺进刘云翔的霎那间，梅芳发现刘云翔竟是自己的情人。
佐佐木得知刘云翔遭袭后，前来查问真相。刘云翔的未婚妻周玉琴来到佐佐木的面前假装大小姐撒泼，说自己是为了逼婚而刺伤刘云翔，刘云翔和周玉琴配合着演了一出戏。让佐佐木相信了，二人这一回侥幸过关。
刀出鞘第3集剧情介绍王四易和肖斌密谋从铁头处获得头盖骨，如若铁头不从，便将其杀死。两人分工，王四易来到望春楼与铁头谈判用头盖骨交换铁头的母亲，而另一边的肖斌正准备伺机对铁头进行狙杀。同时赶到望春楼的谷田一发现了藏在对面旅馆里的肖斌，就在肖斌准备开枪狙杀铁头的一瞬间却遭到谷田一狙击步枪的射击，惊惧之下，肖斌狙杀失手。铁头察觉到是被设计埋伏，他迅速将眼前的王四易打翻在地，成功逃脱。
此时，周大海的把兄弟赵亮也来到了北平，他一直误以为周大海已死，而且是被刘云翔出卖遇害。他此行目的就是刺杀刘云翔为周大海报仇。赵亮找到江湖人物八爷欲寻得刘云翔下落。此时的刘云翔还一心放在寻找国宝查出杀父真凶的事上，全然不知已有人专程前来要取其性命。
刘云翔深知欲寻得头盖骨下落，铁头是关键人物。而唯一能让铁头说出真相的只有铁头的母亲，刘云翔便从佐佐木那里要来铁头的母亲，与铁头的师叔、刘家管家——薛贵，谋划好用铁头母引来铁头，再利用刘家的厕所密道让母子二人见面。
刀出鞘第4集剧情介绍铁头果然是个孝子，明知涉险也前去刘家救母。但是，让刘云翔棘手的是在佐佐木的监视和埋伏下，他的计划没有得到完全的实施。铁头在母亲面前说出了头盖骨的下落然后逃走。铁头母亲为不给儿子留下负担，凛然自尽，老人家临死前向薛贵说出头盖骨在“戒台寺，空明和尚……”。
梅芳假扮记者身份，用钱在警察局长夫人顾太太那里买得消息，得知真正杀死高明远的凶手并非刘云翔。
佐佐木软禁了刘云翔，周玉琴给看守们送饭菜，菜中下了迷药，试图将一众日本特务放倒后救出刘云翔，但是药力尚未发挥之前，看守刘云翔的日军便要换班，刘云翔急中生智安排给众人解药，才将自己从危险中解脱出来。
王四易冒险爬窗来见被日本人软禁的刘云翔，为了让头盖骨不落在日本人的手里，刘云翔便将头盖骨藏匿在戒台寺的信息告知了王四易，王四易假扮铁头取走头盖骨还将空明和尚杀死灭口。
