當趙運達(劉牧 飾)把獲取的頭蓋骨交給方依琳(亦涵 飾)時，方依琳經過仔細查看懷疑這并不是真正的頭蓋骨，趙運達決定帶著這批頭蓋骨前往解放區再次鑒定，而方依琳卻執意留下來看是否有新的線索。倆人就此分別，但彼此約定這次任務結束后就舉行婚禮。

而在此時，中村被告知由于他未能履行好自己的職責，要被送審軍事法庭。他在絕望中請張翠鳳吃了最后一次飯后，面對著他耿耿忠心的天皇畫像剖腹自殺了。接到最新命令的小野也約方依琳在茶館見面，告訴她自己將登上阿波丸號商船前往馬來西亞。

當方依琳得知他這是在執行可能運送北京人頭蓋骨的任務時，她在未征趙運達的同意，就決定隨小野南下。臨行前的方依琳給趙運達留下了一封信，她在信中回憶了他們彼此的情感和共同奮斗的經歷，外面柔弱內心剛強的方依琳就這樣冒險踏上了新的征程。

胡蘭子(管樂 飾)在趙運達的帶領下，前往解放區開始了新的生活。然而，就在這時，傳來了“阿波丸號”被美軍擊沉的消息，趙運達知道他心愛的方依琳永遠不會回來了。數月后，日本投降了，北平城到處是人們歡慶的場景。

張翠鳳在悲喜交加之際唱起了大鼓書，而趙運達為了追尋頭蓋骨的下落，又踏上了新的追尋程。若干年后，古稀之年的趙運達來到周口店，望著北京猿人的頭像，回憶起曾經的風風雨雨，禁不住潸然淚下------