縣城一役讓李向陽率領的武工隊名聲大震，日本鬼子頓時成了沒頭蒼蠅。善于逢迎媚上的渡邊被日軍司令岡村提拔為聯隊大佐。渡邊對李向陽的神出鬼沒頗為膽寒，抱著不求有功但求無過的心思龜縮在縣城，一時武工隊和日本人倒也相安無事。渡邊整天忙著討好岡村派下來的諜報專家貞子，小日子過得不亦樂乎，直到一心為兄報仇的松井橫二的到來，終于打破了這短暫的平靜。  
八路軍電報密碼被日軍破譯，給我方聯絡造成嚴重困擾。留日歸國的技術員章雯奉命到解放區更新密碼，在路過縣城時卻意外被渡邊拘押。李向陽帶隊潛入縣衙營救，正要成功之際半路卻殺出了一伙北駝山的土匪。兩隊人馬合力擊退了日軍阻截，李向陽對二匪首張作彪的身手頗為欣賞。混亂之中章雯被張作彪劫上山去，李向陽無奈，只好登門要人。
北駝山大匪首上官宏在當地也算響當當的一號人物，屢次搶劫日軍物資。給日軍造成了很大的麻煩。鬼子對他腦袋的懸賞額甚至比李向陽還高出1000大洋，殊不知其人實際上是個冒牌英雄，全仗著張作彪的神勇撐臺面。李向陽上北駝山要人，上官宏垂涎章雯美色不愿交人，于是派張作彪的妹妹阿巧冒充，又布局激怒張作彪，張作彪約李向陽比槍法定生死。李向陽識破上官宏伎倆，讓老侯等人佯裝先下山，趁土匪不備繞道后山救出技術員章雯。比槍之際，李向陽妙解生死局，毫發不傷地贏了槍法，張作彪心服口服，兩人惺惺相惜。為了不驚動上官宏，李向陽不動聲色地帶著假扮章雯的阿巧下山，與老侯幾個會合。上官宏得知章雯被救走氣急敗壞，他慫恿救妹心切的張作彪帶人去追李向陽。張作彪離開不久，崔富貴卻奉李向陽之命將阿巧送回。突然北駝山槍聲大作，眾人皆驚。原來復仇心切的松井認為李向陽很可能藏在北駝山，遂帶人直取匪寨，后方空虛的上官宏被逮了個正著，崔富貴也被抓。張作彪和李向陽帶人與松井交火，寡不敵眾。李向陽為救張作彪受傷，阿巧十分感動，施展自己的江湖本事為其治傷。
松井在縣城大張旗鼓慶祝勝利，押著上官宏和崔富貴游街示眾，暗中布下天羅地網等李向陽上鉤。李向陽與張作彪商量營救方案，章雯自告奮勇以電臺吸引松井主力出城，李向陽則趁機帶隊進城救人。松井果然上當，帶著大隊人馬出城追蹤電臺，李向陽和老侯分頭行動，一路在日軍草場放火，另一路潛入牢房救人。上官宏被鬼子嚇破了膽，出逃過程中暴露隱蔽位置，張作彪為救上官宏不幸犧牲，臨死前他將阿巧托付給李向陽。上官宏再次被擒，為求保命做了漢奸。李向陽帶著崔富貴一行殺出縣城。
失去兄長的阿巧很悲痛，李向陽好言寬慰，答應讓她跟著自己打鬼子，武工隊因此再添一員虎將。阿巧聰明伶俐，但性格火爆、行事不免魯莽，因此屢次觸犯紀律，章雯對她尤其看不上眼。阿巧也看不慣章雯的知性和文靜，在李向陽面前兩人簡直成了“天敵”。阿巧發現章雯經常背著大伙偷偷發電報，行跡非常可疑。她向李向陽匯報此事，但章雯都有合理的解釋，反過來指責阿巧鬼鬼祟祟。大家以為又是兩個人互掐，就不很在意，直到數次武工隊的計劃和藏身地點都被松井掌握，這才引起了李向陽的警覺。他故布疑陣試探章雯，果然發現了一些端倪。
上級秘密通知李向陽，代號二號首長的八路軍某領導人要從縣城過境，要求李向陽務必將人安全護送到下一個聯絡點。阿巧發現章雯又在秘密發報，正要回去報告，卻不慎暴露行藏，二人廝打在一起。章雯有心要殺阿巧，卻被及時趕來的李向陽阻止。面對李向陽的種種質問，章雯抵賴不過，終于承認自己其實是軍統特務，此次奉命到根據地執行潛伏任務。出于民族大義和共同抗日的考慮，李向陽并沒有為難章雯，只是客氣地請她離開。自以為必死無疑的章雯被李向陽此舉徹底征服，主動表示愿意留下來一起抗日。眾人猶豫不決，李向陽卻出人意料地表示相信章雯，相信她仍然流著中國人的血，令后者十分感激。
章雯提醒李向陽，日方很可能通過破譯電文知道了二號首長要過境的消息，縣城已經成了龍潭虎穴。李向陽決定利用渡邊和松井的矛盾打亂鬼子部署，趁機送人進城。武工隊設計誘捕了渡邊，并放出假消息，讓松井以為二號首長和武工隊在一起。松井急于立功，帶主力出城追擊。二號首長一行趁機混入城內。松井向武工隊開炮，不顧渡邊死活，直欲趁亂殺之而后快，渡邊恨極。追出不久，松井突然意識到中了調虎離山之計，匆忙回城重新部署防務。縣城城門緊閉，鬼子四處搜捕可疑人員，二號首長身陷險境。
情況非常緊急，李向陽決定放渡邊回去攪局。他和崔富貴一唱一和，成功讓渡邊相信二號首長已經走遠，而松井一心想殺他奪權。渡邊中了蔣干盜書之計，一路狂奔回去找松井算賬。回到縣城，渡邊很快重新控制局面，解除了松井的戒嚴令。二號首長正要脫險，不料卻趕上岡村到縣城視察，剛出城又被攔了回去。功虧一簣，老侯等不禁跌足長嘆。在岡村支持下，松井重新掌握了權力，渡邊被發配去守城門。李向陽帶著武工隊員再次冒險潛入縣城。日軍防衛森嚴，為了保證首長的安全萬無一失，李向陽秘密造訪上官宏，曉之以名族大義，并以張作彪之死相激，上官宏終于棄暗投明，答應從中策應。經過周密計劃，武工隊強攻渡邊所守東門，怕死的渡邊猝不及防，稍做抵抗就放任武工隊縱馬出城。在上官宏配合下，李向陽成功將松井的追兵吸引到城外老泥溝，陷入沼澤地的松井所部損失慘重。另一方面，二號首長秘密從小路脫險，并如期趕赴前線。
戰斗告一段落，李向陽和他的武工隊枕戈待旦，隨時準備接受新的任務。他們將繼續活躍在敵后廣大的原野，在人民戰爭的汪洋大海里埋葬日本侵略者。
《雙槍李向陽之再戰松井》演員表：
張嘉譯 飾 李向陽
唐以諾 飾 郭小北
丁莉 飾 章雯
袁菲 飾 阿巧
高凌凱 飾 墩子
王建軍 飾 王連長