При бомбёжке Берлина погибает радист Штирлица Эрвин Кин. Вторая радистка — Кэтрин, жена Эрвина — попадает в госпиталь, где её случайно разоблачает гестапо. Задача Штирлица неимоверно осложняется: он остался без связи с московским руководством.

О том, что переговоры действительно идут, Штирлиц знает точно — он сам по поручению своего прямого начальника Шелленберга участвует в их обеспечении. Передать сведения в Москву Штирлиц поручает порознь двум антинацистски настроенным немцам: опальному пастору Шлагу и профессору Плейшнеру. Чтобы воспрепятствовать переговорам, Штирлиц решает использовать соперничество в высших эшелонах власти Рейха. Он идёт на прямой контакт с рейхсляйтером Мартином Борманом и сообщает ему о «предательском заговоре против фюрера».

Тем временем в руки шефа гестапо Мюллера попадают серьёзные улики, указывающие на Штирлица как на советского резидента. Штирлиц ведёт напряжённую психологическую дуэль с Мюллером, стремясь избежать провала. Объяснения Штирлица, которые он может представить в своё оправдание, достаточно шатки, но Мюллер удовлетворяется ими. Шеф гестапо даёт понять Штирлицу, что заинтересован в нём и сейчас, и особенно после войны, когда придётся налаживать отношения с победителями.

Ещё одна задача, которую приходится решать Штирлицу — спасение Кэт. Радистка, по указанию Штирлица, даёт согласие на участие в радиоигре. Штирлиц добивается права курировать эту операцию со стороны СД. Благодаря неожиданному повороту событий Кэт бежит с конспиративной квартиры, где её разместило гестапо. Штирлиц находит способ вывезти её в нейтральную Швейцарию.

Обращение к Борману даёт результат — генерала Вольфа, представителя Гиммлера на переговорах с западными спецслужбами, отзывают в Берлин. Переговоры сорваны, задание Штирлица выполнено.

В Берне Штирлиц восстанавливает связь с Центром, узнаёт о присвоении ему звания Героя Советского Союза и возвращается в Берлин, чтобы продолжить свою работу…