《五號特工組》中，于震飾演的千變王子馬云飛以其超乎常人的機智勇敢俘獲了一大批影迷的心。據悉，《五號二》是原班人連忙陣，于震依然是飾演馬云飛一角，不過人物扮相及故事情節都較第一部有所不同，“是一個耳目一新的馬云飛，他可以說是中國版的007”于震對馬云飛這個角色也是贊賞有加。據了解，于震2011年的檔期安排十分緊湊，為了拍《五號特工組2》接連推掉了幾部電影的邀約，讓大家對這部劇又多了一份期待。
《五號特工組2》是繼《五號特工組》之后的又一部革命動作戲，沿襲了《五號特工組》一貫的動作性和懸疑推理性風格，在大眾喜聞樂見的前提下，雅俗共賞，充分體現了文學藝術性，同時，該劇也包含著濃郁的人情味，揭示了戰爭與人性這樣深刻的主題。
馬云飛和高寒婚禮的當天，來了一個不速之客——“五號特工組”的老朋友老于，懇請他們再次出山，執行一項別人無法完成的任務：追查盜竊美國核武器資料的雙料間諜吉川猛夫。為此，高寒做了落跑新娘，跟隨歐陽劍平和李智博趕赴云南接受任務，馬云飛和何堅也被迫出山，于是“五號特工組”五位成員：語言專家歐陽劍平、爆破專家李智博、特工馬云飛、密碼專家高寒、“神偷”何堅再次集結上了前線。同時，日本方面派出了他們的殺人者锏，酒井朝香——她是酒井美惠子的親妹妹，一個手腕更加毒辣兇狠的高級女間諜。
“五號特工組”出師不利，被吉川猛夫還沒有暴露的同伙陷害入獄，五號無奈之下集體越獄……一面躲避美軍的追捕，一面追擊吉川猛夫，最終揪出了美軍內部的叛徒，搶在酒井朝香之前找到了失竊的核武器資料。
戰事愈演愈烈，前方戰場的士兵出現了大規模病毒感染，五號特工組受命調查，路上和這場病毒戰的禍首橋本失之交臂。橋本還是個視科學試驗高于一切的科學怪人，他給高寒注射了病毒，把她當試驗品綁架走，一路細心的守護研究。馬云飛、李智博、何堅深入滇緬邊境，經過艱難的叢林追擊戰，摸到了敵人在緬甸境內的生化基地。此時，高寒為了拿到病毒血清，解救前線的大批戰士，也差點獻出了生命。
戰事緊急，正面戰場物資短缺。蔣介石盯上了閻錫山早年私藏的軍火，閻錫山以軍火庫建造者李陽失蹤為由，不為蔣介石提供軍需。戴笠不得不再次求助于五號特工組，讓馬云飛四人潛入山西，尋找軍火庫建造者李陽的下落。五號特工組利用日軍司令風間義博嗜愛中國畫的喜好，竊得蔣介石家里的古代名畫為誘餌，釣了風間義博上鉤。籍由賣畫，深入風間義博居住的司令部，趁機偷拍日軍晉中會戰戰斗記錄和花名冊，此時酒井也來了，馬云飛巧妙周旋，在被識破的前夕，順利逃出日軍司令部。五號按圖索驥，馬云飛、何堅通過假招供的手段，進入康坑歸化監獄。倆人費盡周折，終于取得了監獄里犯人領袖朱非的信任，協助他越獄。朱非行動失敗，臨死前告訴馬云飛，自己就是李陽，五號終于搶在日本人之前找到軍火庫。
五號特工組帶著宋美齡心愛的國畫回到重慶，預備完璧歸趙，一下飛機就碰到了來華援助的美國飛虎隊隊長陳納德在機場遇襲。五號特工組沒來得及脫身，被老于和戴笠堵在了門口。五號從重慶機場槍擊現場查起，利用物理、槍械等知識，依靠心理學和推理演繹等手段，從極為有限的線索中還原了槍擊現場，并沿著蛛絲馬跡，徹底瓦解了日本人的刺殺陰帧＝议_真相后，馬云飛等人奉命守護陳納德來重慶；陳納德夫人為了確保陳納德安全，還請來了美國的安全顧問羅特。羅特到達后，對馬云飛等人的行動多有指責，而層出不窮的意外，也讓五號特工組屢屢陷入被動。馬云飛等人幾經周折，發現一切事件的真兇，是安全顧問羅特造成的——這家伙是個冒牌貨。