《国家机密2》是一部以高科技间谍案件为主线的电视剧，讲述了主人公林云飞和他的同事们在面对复杂的情报泄露事件时，如何凭借智慧和勇气，一步步揭开真相的故事。剧情围绕秦工程师丢失装有重要科研项目的机密文件包展开，林云飞和曹阳接到任务，迅速赶到铁路公安局。经过一系列侦查，他们发现这是一起普通的盗窃案，但林云飞在观看审问录像时发现了破绽，意识到这很可能是一起间谍案。洪子城处长决定接手此案，并迅速采取了措施。在对八所的有关人员进行甄别排查时，张铨被杀，案件陷入僵局。林云飞提出了一个大胆的想法，最终使代号“无面人”的境外间谍分子认罪，外线侦察员也成功地截获了失窃情报。就在大家庆贺胜利时，另一个国家航天重点科研机构——动力所的重要科研计划也被泄露到了境外。为了便于侦破此案，处里决定派林云飞以动力所办公室副主任的身份进入动力所，进行跟踪侦察。林云飞利用这个身份对全所进行了细致的检查，没有发现任何可疑情况。此时石慧提出对全所进行一次全面的安全检查，却发现了火箭燃料K1样品少了，而且毫无线索。林云飞非常自责，在回想在动力所的每个细节后，他提出了一个大胆的设想——可能是动力所工程师袁知方监守自盗。经过严密的侦察和分析，证实了林云飞的想法，袁知方为了儿子，不得不违心地做出了危害国家的行为，其背后一个代号为“戴安娜”的境外间谍小组浮出水面。专案组果断出击，抓获了间谍嫌疑人，并在机场截获了K1样品。在对样品进行检验时，发现K1样品少了一半…… “戴安娜”背后一定还有更危险的人物，这个人是谁成了破案的关键。随着侦察的进一步深入，一个神秘女人出现在侦察员的视线内。此人就是与林云飞有过交往的TTC公司董事长金梦。据查金梦在国外加入了A国间谍组织，利用我国改革开放之机，在本市成立了TTC公司，其目的就是窃取我国的高科技情报，这个TTC公司很可能就是境外间谍组织设立的重要场所。而金梦对林云飞有“副省长”亲戚的特殊背景很感兴趣，正力请林云飞到TTC公司工作。针对这一情况，石慧建议派林打入TTC公司，近敌侦察。境外间谍组织指示金梦对林云飞进行了严密的考察，甚至采用进行刺杀石慧来考验林云飞。在石慧等侦察员的密切配合下，林云飞逐个化解了一次又一次的危机，也逐渐取得了金梦对自己的信任，只是负责组织安全的王跃龙对林云飞仍不放心。正当林云飞在TTC公司逐渐顺利展开工作时，动力所的火箭燃料样品K2配方又被窃取了……