故事发生于2002年。在广东一个城市的雨夜里,发生一起强奸杀人案。14岁的花季少女独自在家,两兄弟顺着空调外机爬进室内偷窃,在惊醒少女后将其强奸杀害。屡破大案的市刑侦支队三大队负责这一起命案的侦查,队长程兵(张译饰)立下军令状,五天侦破此案。经过不眠不休的调查,案件有了突破口。犯罪嫌疑人之一的王大勇被捕,他将命案的主责推给弟弟王二勇,却对王二勇的去向保持缄默。审讯王大勇期间,三大队接到来自医院的消息,师傅张青良(杨新鸣饰)病逝——前一天师傅正是因为追捕王二勇才引发脑溢血;与此同时,王大勇对程兵手机外壳的女儿头像贴纸露出淫笑:这彻底激怒三大队,他们对王大勇上了一些“手段”,王大勇意外死亡。三大队的命运急转直下,他们因刑讯逼供致人死亡被控故意伤害罪,警服变成囚服,程兵被判8年有期徒刑(后减刑两年),其他队员刑期不等。出狱后,程兵决定继续追凶。昔日的兄弟们也没有真正放下,他们决定与程兵一起去完成未竟的任务。
电影讲述三大队的成员们在侦破一起恶性入室盗窃转化抢劫、强奸致人重伤案过程中因意外导致嫌疑人死亡,三大队警员集体入狱。六年后,队长程兵(演员张译饰)被释放后依旧难以放弃心中执念,十一年间以普通人身份辗转各地追凶,希望将凶手缉拿归案的故事。