该剧讲述了
国民政府军事委员会调查统计局头目戴笠在一次飞机失事后，军统计划暗杀支持共产党的富豪徐德庸。为确保徐德庸的安全，共产党方面派遣了安全专家老丁和神枪手警卫员彭克虎进行保护。在经历了一系列刺杀事件后，共产党人员成功粉碎了
中国国民党的阴谋。。
1946年3月17日，军统头目戴笠飞机失事，一份电报底稿泄露了惊天秘密：戴笠雇佣日本刺客宫十一（
吕行饰）来
北平市刺杀漕帮老大徐德庸（
许正廷饰），徐德庸一向反对
蒋介石的分裂政策，支持共产党成立联合政府的主张，因而成为蒋介石的眼中钉肉中刺。
此事曝光后，引起了广泛关注。
国民政府军事委员会调查统计局急于掩盖事实，派人前往北平监狱调查电报底稿中提到的交易条件，发现日本战犯小林觉已被掉包。此事败露后，典狱长自杀，线索中断。军统一方面否认此事，另一方面派出精兵强将追捕小林觉。然而，日本刺客施展高明的催眠术，利用军统特务炸毁了军统北平站，以此威胁军统再次释放小林觉。军统表面上答应，实则设下埋伏。日本刺客侥幸逃脱，但小林觉在混乱中被军统击杀。日本刺客誓言将继续刺杀徐德庸。
共产党方面也意识到
蒋介石杀一儆百的威胁可能影响到全国人民对和平建国的热情和支持，因此派出了安全专家吴老和神枪手彭克虎（
刘烨饰），前往
北平市保护徐德庸。蒋介石面对各界抗议之声，否认了授意
国民政府军事委员会调查统计局行刺的说法。为了掩盖事实，军统启用了因得罪戴笠而落魄颓唐的军统暗杀高手林家山，并要求他秘密寻找到日本刺客并将其灭口。
老丁（
施京明饰）曾与日本刺客宫十一在上海滩有过交锋，给宫十一带来了不小的威胁。然而，军统内部有人为了掩盖与日本人的勾结，设计杀害了老丁。彭克虎在悲愤之下决定单枪匹马挑战军统，而林家山因不满军统的行为也向他发起了挑战。在共同对抗日本刺客宫十一的过程中，彭克虎和林家山从互相敌视逐渐转变为默契的合作伙伴。在一次次生死考验中，他们建立了深厚的友情。徐德庸的女儿徐暖暖（
于越饰）天真善良，她陪伴彭克虎度过了失去老丁后的悲伤时刻，并对这个看似粗犷的
八路军警卫员产生了情感。随着时间的推移，徐暖暖对彭克虎从好奇转为爱慕，两人展开了一段充满激情的情感历程。然而，正当两人的感情逐渐升温时，彭克虎昔日的恋人老幺突然出现在他的生活中。如今，她已成为
北平市的一名重要人物，还是军统北平站站长的恋人。多年来，她一直试图暗杀徐德庸。当这对昔日恋人在暗杀现场意外重逢时，他们的爱恨情仇交织在一起，使得情况更加错综复杂。
徐德庸接连遭遇刺杀，使他更加意识到自己的生命对于国共和谈以及阻止内战爆发的重要性。为此，他动用了一直准备的秘密武器，即一个与自己相貌相同的替身。替身代替他出席一个重要活动，却不料遭遇到不幸。在彭克虎和林家山（
丁志诚饰）的共同努力下，日本刺客宫十一也被消灭。而徐德庸则趁机隐身幕后，揭露了军统与日本刺客之间的勾结，引发了巨大的轰动。这一事件使得
中国国民党政府无法继续保持沉默。然而，风波并未就此平息。国民党政府派出专员来对徐德庸进行收买和拉拢。在党的帮助下，徐德庸认清了形势，拒绝了收买。国民党政府对此恼羞成怒，加大了对徐德庸的迫害。彭克虎和林家山再次联手，继续保护徐德庸免受伤害。他们与军统展开了一场激烈的较量，以保卫徐德庸的安全和正义的胜利。
日本人与军统的真实目的逐渐浮出水面。他们不惜一切代价都要得到的
日本战犯小林觉，实际上是日本军方的细菌专家。他曾在
北平市主持细菌研究所，如今被一些仍不愿接受日本战败投降的死硬分子救出。他们的目标是利用小林觉研究的细菌武器，将北平变成瘟疫肆虐的地狱。由于军统内部某些人只顾个人私利，这个疯狂的计划得以实施，北平的安危岌岌可危。在彭克虎和北平八路军办事处的指导下，林家山认清了真相。他毅然开枪射杀了与日本人勾结的上司，并与彭克虎联手消灭了细菌专家小林觉，摧毁了细菌研究基地。他们成功地拯救了北平，林家山也选择了投奔延安，为自己找到了新的出路。这次经历让他深刻认识到个人利益与民族大义之间的抉择，也让他更加坚定了自己的信仰和追求。
徐德庸因为坚持自己的政治立场，从一方巨头沦落为被诬陷为汉奸的逃犯。尽管屡遭刺杀，他仍多次被
八路军警卫员彭克虎所救。在历经种种磨难后，徐德庸逐渐认识到政府的腐败是导致这一切的根源。他做出了明智的抉择，鼓励女儿跟随彭克虎前往解放区寻找幸福。同时，他倾尽全力支持共产党和八路军，为和平的来临作出了积极贡献。这一系列的事件使他逐渐认识到自己之前所坚持的政治主张和立场的错误，开始重新审视自己的信仰和价值观。在共产党的帮助下，他逐渐明白了只有共产党才能真正为人民谋幸福、为民族谋复兴。最终，他决定与共产党合作，为国家和民族的未来贡献自己的力量。
《神枪手》剧情环环紧扣，场面宏大，作为谍战剧的“常规动作”，男人戏中的感情戏也成为该剧的一大看点，尤其作为刘烨婚前在荧屏的最后一段感情戏，彭克虎和徐暖暖的浪漫爱情非常精彩。（
新浪娱乐评）
虽然《神枪手》大多是男人戏，但其中也不乏美女配英雄的感情线。
于越饰演的女一号徐暖暖，乃是徐德庸的女儿，与刘烨饰演的彭克虎相恋，却与另外两个神枪手也有理不清的感情纠葛，风格类似于《上海滩》。（浙江卫视 评）