Ранняя весна 1945 года, последняя военная весна. Войска союзников активно наступают по всем фронтам. Некоторые представители вермахта, предвидя скорое поражение, начинают искать пути отступления всеми возможными способами. Москве становится известно о неких переговорах, которые ведутся за спиной советского командования. Центр поручает Юстасу (штандартенфюреру СС Штирлицу, чье настоящее имя — полковник Максим Максимович Исаев — известно только высшим руководителям Советского Союза) выяснить, кто затевает двойную игру и с какими целями.
Логика и знания, накопленные за годы разведдеятельности в тылу врага, могут помочь Штирлицу выйти на организатора тайных переговоров с американцами. Штирлиц приходит к выводу, что это должна быть одна из ключевых фигур третьего рейха. Геббельс, Гиммлер, Геринг илиБорман? Чтобы найти ответ, Штирлиц припоминает каждую мелочь, известную ему об этих людях.
Геринг, возвратившись с линии фронта, доложил об обстановке развала и отсутствия дисциплины фюреру. Гитлер отказался слушать об этом и запретил Герингу продолжать тему и даже посещать фронт. Геринга посещает рейсфюрер Гиммлер. Он говорит о невозможности Гитлера быть вождем и далее. Геринг был готов согласиться с этим, но побоялся провокации со стороны Гиммлера, поэтому не поддержал предложение обратиться к народу об отстранении Гитлера от власти.
Похороны профессора Карла Плейшнера, который в течение последних лет был соратником и помощником Штирлица в антифашистской борьбе. Штирлиц глубоко переживает утрату. Похороны посещает Кальтенбруннер, чтобы проститься с профессором, у которого он много лет лечился. 20 февраля. Продолжая перебирать в мыслях факты и детали относительно каждого из четырех возможных кандидатов, Штирлиц предполагает, что к сепаратным переговорам готовится Гиммлер. Штирлиц навещает своих радистов Эрвина Кинна и его беременную жену Кэт, жертвуя конфиденциальностью. Он делится с Эрвином своими переживаниями относительно нового задания. Также Штирлиц высказывает опасения, что в момент родов Кэт может случайно выдать свое происхождение, если вдруг закричит на русском. Он предлагает своим радистам уехать в Швейцарию, однако те оказываются, не желая оставлять его одного без связи. Штирлиц и Эрвин выезжают за город в лес и передают шифровку в Центр
В дом, в котором жили связные Штирлица Эрвин и Кэт, попала бомба. Ему ничего не известно о судьбе радистов. Штирлиц разрабатывает план срыва переговоров, которые ведут представители верхушки рейха и американской внешней разведки. При этом он делает ставку на Генриха Гиммлера, министра внутренних дел Германии. Штирлиц решается пойти на прием к рейхсфюреру и предъявить ему доказательства проведения переговоров за спиной Гитлера. Однако в приемной Штирлица перехватывает его непосредственный начальник Вальтер Шелленберг, начальник политической разведки нацистской Германии, который дает Штирлицу неожиданное задание. Из разговора с шефом Штирлиц понимает, что его решение пойти к Гиммлеру могло привести к провалу.
Проведение переговоров с американцами, которых представляет резидент стратегических структур США в Европе Аллен Даллес, поручено генералу Вольфу. Подготовительный этап закончен, и стороны приступают к обсуждению деталей. В то же время Штирлиц, разработавший рискованный план по срыву сепаратных переговоров, отправляет Борману письмо, в котором сообщает о предательстве и просит о личной встрече. Получивший послание от «преданного члена НСДАП» Борман теперь имеет козыри в борьбе против одной из самых одиозных фигур третьего рейха. Однако ему нужны доказательства. Будучи ловким стратегом закулисных игр, Борман воздерживается от поспешных решений и выжидает. Штирлиц, лишенный связи с Родиной, делает отчаянный шаг. Навестив брата умершего друга-антифашиста Плейшнера, он признается, что долгие годы является советским разведчиком, и просит профессора о помощи.
От Рольфа Штирлиц узнает, что Кэт жива и находится в госпитале. Кроме того, Рольф хвастливо демонстрирует Штирлицу найденный передатчик, на ручке которого обнаружены ее отпечатки пальцев. Заручившись поддержкой Шелленберга, Штирлиц тайно вывозит Кэт и ее младенца из госпиталя. По дороге он объясняет ей, что единственный способ выжить — сотрудничество с немецкой разведкой, но при этом она должна тянуть время. На фальшивом допросе Штирлиц, перехвативший Кэт у гестапо, добивается от нее согласия работать на СС. Сотрудники гестапо, прослушивающие пленку, ни в коем случае не должны были заподозрить о том, что допрос — мастерски проведенное представление. Борман заинтересовался письмом Штирлица. Центр торопит Юстаса с проведением операции. Направляясь в бомбоубежище по коридору здания управления безопасности, Штирлиц видит ключ в двери спецсвязи с высшим руководством рейха. Воспользовавшись случаем, Штирлиц звонит Борману. Борман назначает место и время встречи.
Штирлиц отвозит Кэт с ребенком в специально оборудованную квартиру, где она должна будет имитировать работу и передавать сообщения в Москву. Надзор за ней осуществляют Барбара Крайн и солдат немецкой армии Гельмут. Штирлиц переправляет Плейшнера в Швейцарию, поручив ему явиться на конспиративную квартиру в Берне и передать шифровку в Центр. Но воздух свободы играет с профессором злую шутку. Он не замечает, что явочная квартира, в которую он пришел, «провалена». Плейшнер забывает условия игры, которым обязательно должен следовать профессиональный разведчик. Гестапо начинает слежку за профессором. Шифровку, составленную для Центра, переправляют в Берлин. Шеф гестапо Мюллер с подозрением отнесся к операции по вербовке «русской пианистки». Он смутно подозревает в чем-то Штирлица. Сотрудники гестапо устанавливают, что отпечатки пальцев на чемодане Кэт и на одном из телефонов правительственной связи идентичны. Мюллер решает проверить «пальчики» всех сотрудников управления, но только негласно.
Вернувшись домой, Штирлиц застает там Холтоффа, который пытается запугать его якобы имеющимся у Мюллера компроматом. Он ссылается на дело физика Рунге, который в свое время был близок к изобретению атомной бомбы для рейха. Тогда вмешательство Штирлица приостановило эксперименты. Холтофф предлагает Штирлицу бежать за границу. Однако Штирлиц уверен, что явных улик у Мюллера быть не может. Он оглушает Холтоффа и привозит к шефу гестапо c просьбой разобраться в ситуации. Пастора Шлага необходимо переправить в Швейцарию для проведения переговоров с представителями Ватикана. Штирлиц отвозит его на границу и, снабдив необходимыми указаниями, прощается с ним. Тем временем Мюллер устанавливает, что на чемодане с передатчиком и на телефонном аппарате в комнате правительственной спецсвязи — отпечатки пальцев Штирлица. Мюллер отдает приказ о его аресте.
Задание, которое Штирлиц дал пастору Шлагу, достаточно сложное. Инициатива отправки Шлага на переговоры с представителями Ватикана в Берне принадлежала Шелленбергу, который преследовал совершенно определенные цели. Однако Штирлиц пытается с помощью Шлага повлиять на ход сепаратных переговоров, проводимых представителями Гиммлера с людьми Аллена Даллеса. Ведомство Мюллера сравнивает отпечатки пальцев, найденные на чемодане «русской пианистки», телефонном аппарате в комнате спецсвязи и стакане, из которого Штирлиц давал воду Холтоффу. Цепь замыкается. На Штирлица падает подозрение в шпионаже в пользу СССР. Подходя в очередной раз к дому на Цветочной улице в Берне, профессор Плейшнер вдруг вспоминает, как Штирлиц предупреждал его о крайней осторожности. Подняв глаза, профессор видит в окне явочной квартиры цветок — знак, который успел оставить советский разведчик перед тем, как попасть в руки гестапо. Плейшнер понимает, что допустил роковую ошибку, и решается на отчаянный шаг. Для подтверждения предположения о том, что Штирлиц — русский резидент, Мюллер приказывает Рольфу вытянуть признание у радистки Кэт любыми способами. Рольф приезжает на квартиру, где живет Кэт с младенцем, и устраивает жесткий допрос. Он показывает ей фотографию Штирлица для опознания. Кэт молчит. Исчерпав все средства, Рольф кладет ее новорожденного сына к открытому окну, выставляя малыша на мороз. Звучат выстрелы...
Мюллер приказывает отправить полицейские наряды по линии автобуса, на котором скрылись Хельмут и Кэт с ребенком. Приехав в детский приют, эти двое забирают дочь Хельмута...
Мюллер предлагает Штирлицу свои услуги в его игре с Борманом, мотивируя это тем, что без «папы» Мюллера им не выбраться из Берлина. Штирлицу предстоит вывезти из Германии Кэт с двумя новорожденными детьми. Когда машину останавливает военный патруль, глаза Кэт полны страха. Мгновение — и весь только что пережитый ужас вернется… Но, к счастью, все обходится, они уже по ту сторону границы...
Из Берна Штирлиц отправляет в Центр шифровку с подтверждением факта сепаратных переговоров между Даллесом и Вольфом. Рейхслейтер Борман приказывает срочно вызвать в Берлин генерала Вольфа. Каждый раз зрители надеются, что Штирлиц напишет записку жене, пусть «по-французски и левой рукой», что он примет решение вернуться в Москву, что больше ему не придется рисковать… Но каждый раз машина везет Штирлица по направлению к Берлину.