《云雀行动》以反对台独为背景，讲述了一场围绕国家安全、民族大义与阴谋破坏展开的较量。原台湾军情局行动部门间谍李肖在国际反华势力的支持和纵容下，组织国际分裂组织铁血同盟会，并担任行动顾问。他秘密潜入中国大陆，企图利用某国重要代表团访华之机，通过航模飞机制造爆炸，实施暴力暗杀，破坏两国关系；同时，他还试图借助女儿李曼秋策反其在大陆求学期间的同学、参加军事演习的导弹部队指挥官洪越，诱导洪越制造导弹误射，挑起针对某大国的军事冲突，以达到分裂祖国、破坏社会安定团结并让台独势力从中渔利的目的。
李肖昔日的恩师、原国民党军情局局长周天刃是一名民族主义者，坚决反对李肖的台独主张。为了阻止李肖，他一路追查对方的行踪，并不顾自己曾亲手杀害国家安全局祝局长父母这一血债，毅然跟随李肖来到大陆。周天刃时隔50年突然出现，引起国家安全部门高度重视。祝局长随即成立专案组，由年轻侦察员丁慨然担任组长，钟晓雯任副组长，林光任组员，带领侦察员展开艰苦而复杂的调查，逐渐揭开案件真相。
周天刃多次从民族大义出发劝说李肖放弃台独信仰，却始终未能改变对方的决心，反而被李肖视为行动中的最大障碍。祝局长希望与周天刃联手对付李肖，但由于多年的敌对经历以及职业习惯，周天刃对共产党人抱有强烈的对抗情绪，拒绝合作。李肖的两次刺杀行动都被周天刃在关键时刻破坏，于是他怀恨在心，残忍杀死周天刃的徒弟阿坚。
另一边，李曼秋以某报记者的身份来到北京，对导弹部队中校军官洪越展开策反。洪越的母亲曾死于越南战场，李曼秋向他提供有关其母亲被某国特种部队士兵折磨致死的材料，激起他的悲痛与仇恨，并暗示演习期间某国航母战斗群所在海域的坐标，试图诱导他采取过激行动。为了扩大侦查线索，丁慨然和林光设下计策，复制了
