《无国界行动》讲述了一起牵动中、美、缅、泰四国的跨国贩毒大案。缅甸毒枭乌澎阴险狡猾，先后利用假情报、设置假目标和遥控炸车等手段，杀害中国卧底“山鹰”，炸死缉毒民警，并将一百公斤海洛因运入中国，企图借助中国通道转运美国。云南警方因此遭受重挫，福建警方掌握的另一条线索也因证据不足，只能眼看着监控对象离境。由公安部禁毒局沙海处长协调指挥的“五一七”大案，一时陷入困局。
就在案件毫无进展之际，上海警方在虹桥机场货运处发现，有人将海洛因藏进锦鲤鱼腹中，伪装成货物运往美国，而这批毒品正是云南流入境内的那一部分。失散的线索终于在上海重新汇聚。沙海立即赶赴上海，并成立由云南马天成、福建邢浩和上海杜维民组成的“锦鲤鱼案”指挥中心。警方成功抓获“锦鲤鱼”发货人，随着调查深入，一个连接中国、美国、缅甸、泰国的国际贩毒网络逐渐浮出水面。
面对这起重大案件，沙海没有满足于完成境内抓捕，而是向上级提出由中美警方联手、彻底摧毁整个贩毒网络的建议。经中美两国高层批准，两国缉毒部门首次展开合作。然而，合作一开始便接连受挫：中国方面应美国警方请求，将中国犯罪嫌疑人汪天晓带到美国出庭作证，却意外遭到无罪释放；被美国警方追查多年的大毒枭安迪，也因证据不足及神秘势力庇护而继续逍遥法外。中美警方的合作关系一度降至冰点，直到“九一一”事件发生，双方才重新获得合作契机。
随着案件不断推进，中美两国在文化、政治等方面的差异和碰撞，也在求同存异的合作原则下逐步化解。经过一系列曲折较量，中美警方最终联手摧毁了这个特大跨国贩毒网络。大毒枭安迪被中国警方抓获，其“大善人”的伪装彻底被揭穿；“蝴蝶帮”幕后黑手、美国中央情报局原高级特工詹姆森，则被美国警方击毙。《无国界行动》就此落下帷幕，中美两国警方共同谱写的合作凯歌也回响在世界东西两个半球。
