Действие разворачивается в феврале-марте 1945 года. Макс Отто фон Штирлиц, советский разведчик, работающий в центральном аппарате СД, получает задание выяснить, кто из высших руководителей Рейха ведёт сепаратные переговоры с Западом.

При бомбёжке Берлина погибает радист Штирлица Эрвин Кин. Вторая радистка — Кэтрин, жена Эрвина — попадает в госпиталь, где её случайно разоблачает гестапо. Задача Штирлица неимоверно осложняется: он остался без связи с московским руководством.

О том, что переговоры действительно идут, 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. Чтобы воспрепятствовать переговорам, Штирлиц решает использовать соперничество в высших эшелонах власти Рейха. Он идёт на прямой контакт с рейхсляйтером Мартином Борманом и сообщает ему о «предательском заговоре против фюрера». Тем временем в руки шефа гестапо Мюллера попадают серьёзные улики, указывающие на Штирлица как на советского резидента.