1944 год. В Москве орудует банда «Мертвая голова», которая нападает только на бандитов и оставляет на месте преступлений рисунки с портретами убитых жертв. Расследовать их деятельность поручают майору милиции Ефимычу и его помощнику Александру Сазонову.

В отдел к Ефимычу приходит работать сержант Костенко, бывший сослуживец Сазонова. Александр знакомится с библиотекаршей Светой и влюбляется в нее, а трое бандитов из «Мертвой головы» во главе с Прозрачным совершают новое убийство.

Оперативники приходят к выводу, что Прозрачного и его подельников завербовали во время оккупации. Ефимыч и Сазонов подозревают, что на самом деле «Мертвая голова» может быть тщательно подготовленной диверсионной группой, а Художник — шпионом.

Пульнер предупреждает оперативников, что теперь информация о вооружении банды «Мертвая голова» строго засекречена. Сазонов и Ефимыч просят вора в законе Ливера помочь найти Штепу, а в городе тем временем объявляется новый руководитель троек Канцлер.

Ливер посылает подручного Губу на поиски Штепы, надеясь через него выйти на «Мертвую голову», а Ефимыч и Сазонов берутся за расследование нового убийства. Сазонов уверен, что банда раскололась и преступники теперь открыто воюют с Художником.

Начальник Рудакова рассказывает ему, что Журбин занимался операцией под кодовым названием «Вальс», и советует поговорить с Алексеем Петровым, который также входил в состав секретной группы.

Петрова обнаруживают убитым в своей квартире. Кроме этого, пропадает папка с секретными документами. Рудаков узнает, что в Москву был заброшен немецкий агент под псевдонимом Вагнер, который внедрился в силовые структуры, а Ефимыч решает ловить банду Прозрачного на живца.

Ефимыч, Сазонов и бандиты пытаются выяснить, когда деньги общака прибудут в Москву. Люся вызывается помочь Сазонову, но взамен просит расправиться с бандитом по прозвищу Дракон. Тем временем Рудаков занимается расследованием убийства Петрова и находит новые улики.

Оперативники разрабатывают операцию по поимке банды «Мертвая голова». Они решают взять живым одного из преступников, чтобы выйти на след Вагнера. Рудаков выясняет, что Петров вел двойную игру, и отправляется на поиски его сына.

Ефимыч считает, что на Петровке завелся крот, и пытается выяснить, кто сливает информацию «Мертвой голове». Рудаков добивается эксгумации тела сына Петрова, но его могила оказывается пустой.

На месте перестрелки в кафе Ефимыч находит американский пистолет-пулемет. Он понимает, что преступники приходили за Художником. Костенко и Сазонов подозревают, что Рудаков может быть главарем банды, пока тот выходит на след немецкого офицера Отто Рихтера.

Пытаясь выманить Сазонова, Канцлер и Прозрачный убивают Свету. Сазонов расправляется с Прозрачным, а Канцлеру удается сбежать. Тем временем в Москву прибывают тысячи немецких военнопленных для участия в марше под кодовым названием «Большой Вальс».

Сазонов признается Ефимычу и Костенко в том, что курировал банду преступников. Теперь им предстоит вычислить Вагнера, и Сазонов предлагает оперативникам сотрудничество, чтобы помешать его планам.

Диверсанты из команды Кострова и Канцлера собирают по всему городу оружие и готовятся к нападению. Рудаков предлагает отменить операцию «Вальс», но Кривцов возражает. Сазонов, Костенко и Ефимыч устраивают засаду на преступников.

Сазонов пытается выяснить, где преступники прячут оружие, пока на Петровке идет совещание по поводу операции «Вальс». Успеют ли оперативники обезвредить диверсантов и спасти Москву?