Главные герои исторического фильма «По тонкому льду» – сотрудники органов государственной безопасности, которые занимаются тем, что разоблачают заграничных шпионов. Осенью 1939-го году чекисты-контрразведчики Брагин, Трапезников и Безродный выходят на след немецкого шпиона Дункеля, но ему удается скрыться. Проходит время, и чекисты забывают о проваленном деле. Начинается война, разведчикам дают задание найти вражеский секретный штаб и ликвидировать всех, кто работает в нем. Брагин, Трапезников и Безродный узнают, что тем штабом руководит их давний знакомый, тот самый Дункель. Главные герои ставят перед собой новую задачу – задержать давнего врага и отправить на допрос в столицу…