民國時期，國內最大的兵工廠發生離奇命案，死者被一枚受詛咒的「幽靈子彈」所殺，犯罪現場搜尋不到彈頭殘骸，令眾人不解子彈究竟是如何在穿入肉體的時候消失的，一時之間，疑雲密佈，人心惶惶，堪稱民國第一奇案。

此案交由警局內負責管理檔案的政務員警鬆東路（劉青雲飾演）調查，擔任文職的鬆東路既不會拳腳功夫，也不懂如何開槍，卻思想縝密，對案情有獨到的解讀方式。一心為民除害的熱血警探郭追（謝霆鋒飾演）不容於警局貪汙腐敗氛圍，聯手與老路調查此離奇命案。

隨著案情調查深入，兩位警探抽絲剝繭式發現恐怖陰森的殺人密室和離奇的造彈裝置，其詭異程度讓經驗豐富的鬆東路也瞠目結舌。結案期限迫在眉睫，算命姑娘小雲雀（楊冪飾演）這時在不經意間透露出「幽靈子彈」的驚人祕密，鬆東路和郭追兩人不確定這個驚人祕密究竟是圈套還是破案線索，但卻發誓要以命相搏！

就在案情最終要水落石出之際，郭追和鬆東路卻發現他們必須面對當下一個更困難的抉擇……。