20世紀30年代，希特勒得到絕密情報:蘇聯年輕火炮設計師列昂採夫主持的一家研究所在研製“喀秋莎”火箭炮方面獲得突破。納粹德國決定不惜一切代價將“喀秋莎”弄到手。
蘇聯小偷意外破壞計劃
納粹情報部門制定了代號“天狼星”的計劃。德國駐蘇聯使館武官處四處活動，獲得了列昂採夫研究所的人員名單。經過研究後，他們發現，研究所的看門人是個白俄流亡將軍的侄子，德國人很輕易就把他發展成間諜，並讓他在晚上溜進列昂採夫辦公室，竊取了“喀秋莎”設計圖，進行拍照後，將膠捲送到了德國武官處。
得知盜取圖紙成功後，納粹情報部長卡納里斯海軍上將立即下令，要求武官處把膠捲火速送到柏林。但攜帶絕密膠捲的德國情報人員還沒離開蘇聯，行李便被小偷席捲一空。納粹德國第一次盜竊“喀秋莎”計劃就這樣功虧一簣。
目標指向設計師
意外失手後，希特勒指示納粹情報機構，繼續肆機竊取“喀秋莎”。1941年，列昂採夫前往莫斯科參加“喀秋莎”的實驗工作。在火車上，列昂採夫無意中聽到旁邊兩名婦女在談論他認識的列寧格勒工學院的謝爾蓋·祖波夫教授，於是就主動走過去打招呼。交談中，列昂採夫得知其中一位老夫人是祖波夫教授的夫人，另一位是莫斯科一家歌舞團的歌手娜塔麗。車到莫斯科後，列昂採夫與兩位女士相約日後再見。不過，列昂採夫怎麼也不會想到，眼前兩人是蓋世太保的間諜。而這次火車上的“巧遇”，也是蓋世太保的精心安排。
不久，這種火炮正式研製定型。斯大林親自下令將其列裝，定名爲BM-13型火箭炮，也就是被蘇軍前線官兵親切稱爲“喀秋莎”的新型火箭炮。就在這時，納粹德國發動侵蘇戰爭。列昂採夫主動要求到前線檢驗“喀秋莎”的實戰效果。幾天後，列昂採夫被安排到了前線某炮兵旅參加實戰。出發前不久，列昂採夫再次與“教授夫人”“不期而遇”。交談中，“教授夫人”關懷地問列昂採夫要去什麼地方。列昂採夫毫無戒備地把目的地告訴了她。
在蓋世太保的策劃下，娜塔麗所在的歌舞團也來到前線“慰問官兵”。但娜塔麗並未發現列昂採夫的行蹤。一次晚會上，一位喝多了的蘇軍中尉無意吐露了列昂採夫的行蹤。不久，一支自稱來自伊萬諾沃州的五人“慰問團”來到前線。“慰問團”爲首的是一個叫彼得羅夫的人。此人其實是蓋世太保的老牌間諜彼得羅涅斯庫。一戰時，他曾成功綁架了敵方潛艇設計師。此番，在黨衛軍領袖希姆萊和納粹安全部長卡登博隆涅爾的授意下，彼得羅涅斯庫專程從柏林潛入蘇聯，打算故伎重演，將列昂採夫綁架到德國。
被擊落飛機泄露計劃
爲配合綁架行動，納粹情報機構命令潛伏在莫斯科的德國間諜，冒充蘇軍領導機關給前線炮兵旅發電報，告訴他們將有一支“慰問團”到前線進行“慰問”。隨即，彼得羅涅斯庫等人由德軍飛機空投到蘇德前線附近的一個鐵路中轉站。幾天後，“慰問團”出現在了列昂採夫所在的部隊。當晚，舉行了盛大的歡迎會。列昂採夫也前來出席。當彼得羅涅斯庫得知列昂採夫要下到前方的炮兵營時，便要求旅長允許他們搭列昂採夫的汽車到前線去。旅長同意了他們的請求。
途中，彼得羅涅斯庫等人幹掉了司機及隨行警衛，並用麻藥麻倒列昂採夫。按照事先的計劃，一旦綁架得手，彼得羅涅斯庫就趕到距蘇軍炮兵旅部十幾公里的一個廢棄機場。在那，會有一架德國運輸機把他們接回德國。然而當彼得羅涅斯庫一行趕到那裏時，發現等待他們的不是蓋世太保，而是荷槍實彈的蘇軍。
原來，蘇軍幾天前在莫斯科附近擊落了一架德軍飛機。從機上德國飛行員和間諜的屍體上，蘇聯反間諜人員發現一個密寫小本子。經過技術人員分析，完全破譯了“天狼星”計劃，上演了守株待兔的好戲。
