Сотрудники отдела по борьбе с бандитизмом МУРа — опытный оперативник Глеб Жеглов и герой-разведчик, фронтовик, но новичок в розыскном деле Владимир Шарапов — противостоят банде грабителей «Чёрная кошка», которая грабит магазины и безжалостно убивает тех, кто попадается им на пути. В ходе облавы Шарапов сталкивается с одним из бандитов по кличке Фокс, но тот, прикинувшись фронтовиком, обманывает Шарапова и уходит.

Шарапов расследует убийство некоей Ларисы Груздевой. Главный подозреваемый — её бывший муж, так как в его квартире нашли орудие убийства. Однако Шарапов, видя нестыковки в показаниях, не уверен в виновности Груздева и стремится непредвзято разобраться в обстоятельствах дела. Найден браслет Ларисы и, идя по цепочке, сыщики постепенно выходят на Фокса. Милиционеры устраивают засаду на квартире скупщицы краденого, но из-за трусости, проявленной одним из оперативников, Фоксу опять удаётся уйти.

Жеглов устраивает новую засаду в ресторане «Астория». Но там Фокс чувствует засаду и пытается уйти, однако после автомобильной погони по улицам ночной Москвы, милиционеры его задерживают. Далее Шарапов хитростью заставляет Фокса написать записку своей любовнице Ане — милиционеры планируют передать через неё банде «план освобождения Фокса» и угрозу Фокса всех выдать.

Шарапов встречается с Аней, но бандиты похищают его, затолкнув в фургон и оторвавшись от слежки. Шарапову удаётся убедить главаря банды, горбуна по имени Карп, с подозрительностью отнёсшегося к нему, в своей честности перед ним, и бандиты решают идти на вызволение Фокса.

На совещании в МУРе Жеглов решает: хотя связь с Шараповым и потеряна, тот, как человек военный, поймёт, что оговорённое место и время операции изменять нельзя, и потому всё-таки устраивает засаду в магазине, привозя туда Фокса «для следственного эксперимента». Но как спасти Шарапова? Оперативники МУРа решают, что приклеенная фотография возлюбленной Шарапова на дверь кладовки сможет подсказать ему что делать. Когда бандиты заходят в подвал, гаснет свет. Шарапов укрывается в кладовке, банда окружена и сдаётся милиции. Фронтовой товарищ Шарапова совершает попытку бегства, но его убивает Жеглов.