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, чьё 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 ключёвых фигур третьего рейха. Геббельс, Гиммлер, Геринг или Борман? Чтобы найти ответ, Штирлиц припоминает каждую мелочь, известную ему об этих людях.

О том, что переговоры действительно идут в Швейцарии, и их инициатором является глава СС Гиммлер, 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, брату одного из руководителей антинацистского подполья.

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 приём к рейхсфюреру и предъявить ему доказательства проведения переговоров за спиной Гитлера.

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.

От Рольфа Штирлиц узнаёт, что Кэт жива и находится в госпитале. Кроме того, Рольф хвастливо демонстрирует Штирлицу найденный передатчик, на ручке которого обнаружены её отпечатки пальцев. заручившись поддержкой Шелленберга, Штирлиц тайно вывозит Кэт и её младенца из госпиталя. По дороге он объясняет ей, что единственный способ выжить — сотрудничество с немецкой разведкой, но при этом она должна тянуть время.

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 пришёл, «провалена». Плейшнер забывает условия игры, которым обязательно должен следовать профессиональный разведчик.

Вернувшись домой, Штирлиц застаёт там Колтоффа, который пытается запугать его якобы имеющимся у Мюллера компроматом. Он ссылается на дело физика Рунге, который в своё время был близок к изобретению атомной бомбы для рейха.

В Берне пастор Шлаг встречается с деятелями церкви и политиками, чтобы выполнить задание Штирлица. Склоняя Кэт к сотрудничеству, Рольф выносит её новорождённого сына на мороз. И Хельмут убивает его. Они вместе с Кэт бегут. Поняв, что попал в ловушку гестапо, профессор Плейшнер решается на отчаянный шаг...

Мюллер приказывает отправить полицейские наряды по линии автобуса, на котором скрылись Хельмут и Кэт с ребёнком. 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 новорождёнными детьми. Когда машину останавливает военный патруль, глаза Кэт полны страха. Мгновение — и весь только что пережитый ужас вернётся...

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 придётся рисковать... Но каждый раз машина везёт Штирлица по направлению к Берлину.