部隊は、アメリカがU-2C（G及びFタイプの場合もある）或いはU-2R（1968年以降）偵察機を供与し、整備などを支援する一方で、台湾は基地と隊員を提供することで構成された。黒猫中隊には最低でも2機のU-2が配備され、1機のU-2が任務を行なっている間は他のU-2は待機するというローテーションを取っていた。撃墜や事故による喪失があった際は補充され、14年間の間に合計で19機のU-2が黒猫中隊に供与された。黒猫中隊のU-2は、基本的にアメリカが運用していたU-2と同じ全面ダークブルー（U-2C）或いは黒色（U-2R）であったが、胴体の左右に青天白日の国籍マークを施しているのが最大の特徴であった。隊員は、台湾空軍の中から選抜され、毎年1〜5名のパイロットが渡米して約1年間の飛行訓練に従事した。1971年に訓練計画が中止されるまでに30名中27名が修了し、3名が訓練の途中であった。
1950年代、朝鮮戦争休戦後も、中華人民共和国指導者の毛沢東が「ズボンを穿かなくても核兵器を持つ」と宣言するなど、東アジアでの冷戦は熾烈なものとなりつつあった。アメリカ政府は、フィリピンや米国統治下の沖縄、同盟国となった日本、韓国にアメリカ軍の基地を設置し、中国を初めとするソ連、北朝鮮といった東側諸国の動向に備えた。一方で、国共内戦に敗れて台湾に依拠した蒋介石率いる台湾国民政府とも米華相互防衛条約（1954年）を結んで経済的・軍事的供与を与え、アメリカの同盟国とした上で、中国に対する情報収集の拠点とすることを画策した。当時、偵察衛星による偵察技術は未熟で、中国奥地の明確な情報を得るためには、U-2などの高高度偵察機による偵察飛行以外の方法は無かった。1952年、アメリカ中央情報局（CIA）は活動拠点として、台湾に西方公司というダミー企業を設置。台湾国民党政府との交渉を開始した。
名古屋市熱田区。東海道新幹線が住宅密集地にもかかわらず時速200キロ近い高速で走り抜けていく。そのすさまじい騒音ゆえに付近に住む老婆は、新幹線の音をB-29の音と間違えておびえだすほどに精神に異常をきたし、医師である秋山宏（近藤正臣）と、その恋人である看護師・君原知子（関根恵子）の懸命の介抱も空しく息絶えてしまった。老婆を死に至らしめた国鉄に怒りを覚えた秋山は復讐を誓った。秋山は恋人君原に、わけも話さずに病院からニトログリセリンを少し盗み出すように依頼し、それを持って君原にはヨーロッパに旅行すると伝えて行方をくらませた。次の日、新幹線ひかりの車内のトイレがつまり、原因を探るとニトログリセリンと脅迫状が入れられた袋が出てきた。脅迫状の趣旨は国鉄に対する騒音対策の実施要求と、要求を受け入れなければ10日以内に新幹線を転覆させるというものだった。翌日には豊橋駅でこだま号が脱線させられた。一歩間違えば脱線したこだま号に後ろから来たひかり号が追突するほどの危険な状況であり、秋山はあえてそのタイミングをねらったのだった。警察庁は犯罪科学捜査研究所所長の滝川保（田宮二郎）を捜査本部長に任命し、数人の新幹線の沿線の愛知県警や警視庁の幹部刑事と共に極秘捜査を開始する。滝川は脅迫状の内容が名古屋新幹線騒音公害訴訟団の要求と同じであったことから、訴訟団が主張の根拠としていた論文を書いた秋山に注目する。しかし当の秋山はヨーロッパ長期旅行中であった。だが秋山の指紋と脅迫状にあった指紋が一致したことから捜査陣は（出国の偽装工作をしたとみて）秋山を犯人とほぼ断定し、極秘ながらも捜索を開始する。そのころ東京に潜入していた秋山は秋葉原の電気街にいた。音波発信機を製作した彼は国鉄に「もう一度新幹線をストップさせてみせる」とマスコミも含め予告した。国鉄・警察にはこの事を知った大手マスコミが駆けつけ、極秘にしていたことを非難し、公開捜査を要求した。そこで滝川は次のストップ予告を阻止できなければ公開すると約束した。しかし、新宿駅から小田急ロマンスカーで小田原駅へ移動し検問をかいくぐった秋山は新幹線と並行する東名高速道路をレンタカーで列車と並走し、スピード0（停車）の信号電波を発信、またも新幹線を止めてしまう。この手口を予想できなかった滝川ら捜査陣をマスコミは責め、滝川らは公開捜査についに踏み切り、同時に（証拠が固まった）秋山宏を全国指名手配にした。一方、潜伏中の秋山は医学界に失望した元看護師・芙美子のアパートにかくまわれたが、大胆にも国鉄総裁宅に深夜出向き、直接要求をした上、その会話を録音したテープをテレビ局にリークした。秋山は予告当日に備え、坂野坂トンネル付近にブルドーザーを停車させた。一方捜査陣も、犯行は秋山の実家から近い静岡・愛知県内で行われる可能性が高いとして県内の新幹線線路に等間隔に警官を配置し厳重に警戒させた。犯行当日、当初はこの日の勤務を拒否していた国労・動労を説得した上で新幹線は平常どおり運転した。秋山は献血輸送車を盗んで検問を突破、坂野坂トンネルに向かい準備した。一方滝川らもヘリコプターからブルドーザーを発見し、取り囲んだ。これで犯行は不可能に思われていたが突然無人のブルドーザーが動き出した。リモコン操作されていたのだ。しかし、勇敢な一人の若い刑事がブルドーザーに飛び乗りキーをはずしてストップさせ、秋山は手も足も出せなくなった。既に早期に身柄を確保されていた恋人の君原知子に説得され、付近のみかん畑から降伏した秋山が姿を現した。互いに抱き合う秋山と知子。その後ろを何事もなかったように新幹線は走り続けていくのだった…。