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2000年，正在放假的小学生夏木在老师夏金兰家里生活，夏金兰在外出买鱼的时候被一名黑衣男子尾随并入室杀害。另一方面，刚刚加入重案队的冷小兵满腔热血要破个大案子，在师傅陈大明的介绍下，了解了海舟市近年来最大的案子——海舟连环杀人案。之后，恰逢师兄高鹏出警，第一天上班的冷小兵接到了一通神秘的报警电话，冷小兵和刑警李岚赶赴现场。由于报案人没说具体的门牌号，他们两人只能分头寻找。冷小兵一路查询找到了夏金兰家里，正好和凶手碰了头，由于过度紧张，冷小兵没有开枪反倒被凶手用花盆砸晕，凶手在逃跑途中被李岚堵住，为了脱身，他又残忍地杀害了李岚。陈大明和高鹏赶到现场，他推测报警电话就是凶手大的，且在公用电话和张贴的通告上都找到了一枚相同的指纹，且能确定凶手的右手有烧烫伤。
17年后，长大成人的夏木，来到了警队报到。接待夏木的高鹏在得知夏木的身份之后，十分惊讶。并且夏木执意要去重案队更加深了高鹏的怀疑，高鹏想找冷小兵商量一下，但是冷小兵着急出警，便随手带上夏木，并没有听高鹏的嘱咐。森林公园马煜案现场，技术队在现场发现了死者身边有一趟39码的脚印，怀疑是嫌疑人的，但是却无法确定嫌疑人的身份，冷小兵经过查探猜测死者一定有个随身包，而随身包的丢失就是目前的一大疑点。而且经夏木的分析，这是一起仇杀案，嫌疑人想让死者为某件事道歉。夏木的一番分析得到了冷小兵的好感，冷小兵邀请他一起回警队，路上他问起夏木的名字，再得知之后，大为诧异，回到警队，冷小兵担心夏木是带着仇恨回来调查海舟案的，于是将他留在了自己身边。
马煜案的案情分析会上，夏木发现了现场脚印的问题，判断出现场的39码鞋印来自于两个人，并通过现场脚印的排布，推测出了一个地点，警方前去挖掘，果然挖出了很多动物的尸体，从而推断出马煜是一个虐待动物的人，而嫌疑人杀死马煜也是为了让他为这些动物赎罪。所以嫌疑人很可能养宠物，且宠物也别马煜杀死了。冷小兵再次来到马煜家，从他的抽屉里找到了很多狗链和狗牌，据他的妻子交代，马煜不仅虐待动物，而且还录下了视频，回到警队，冷小兵让夏木去档案室调查一下近5年来关于动物失踪的案子。夏木来到档案室查案件卷宗，被来拿卷宗的警员打断，他这才得知海舟案要重启了，另一方面，冷小兵也看到了海舟案的卷宗被成批运走，警员解释到，海舟案重启了，但是高鹏嘱咐过，重案队不得参与。夏木从档案室找到了一个因宠物纠纷导致的汽车燃烧案，嫌疑人名叫肖华军，但奇怪的是，烧车案发时，有他的心理医生沈雨为了提供了不在场证明，冷小兵觉得奇怪，便和夏木来到了肖华军家。
肖华军坠楼死亡，冷小兵赶赴现场，电话呼叫小刘和夏木。夏木从肉类批发市场醒来，又回到了沈雨家，恰好碰上沈雨上电梯，沈雨说自己下楼买早餐了，并告诉夏木身上有血，别被警队的人发现。夏木来到凶案现场，但因为是水泥地，所以无法辨别是否有第二人出现在现场，夏木知道自己晕倒的那段时间，沈雨很可能作案，于是想找冷小兵坦白，他路过高鹏的办公室，就进去跟高鹏坦白了自己的错误。高鹏想要惩罚夏木，但是被冷小兵保护下来，第二天，高鹏尊重冷小兵的意见只让夏木写了一份检查。经过顾法医的分析，肖华军坠楼很奇怪，既不是自然下坠，也不是有人推下去的，而是奔跑着跳下楼的，结合技术队的调查，找到了肖华军使用的凶器，也确认了肖华军就是杀害马煜的凶手。但由于肖华军已死，高鹏向市局申请中止调查此案。但冷小兵对于没揪出沈雨十分不甘心。
沈雨打开箱子后，收到了一份生日礼物。思念父亲的情绪涌上心头。她一直认为父亲没有和人私奔，而是失踪了。埋藏在内心想找到父亲现居何处，更加急迫。小荣药房搞店庆活动，路过的何伟光与店经理刘莉发生冲突，导致刘莉猝死。何伟光被带回警队，由于刘莉有先天性心脏病，所以不能判定何伟光故意杀人。但冷小兵却发现何伟光右手的烫伤与海舟案的凶手一致，在冷小兵的盘问之下，何伟光并没有露出马脚。冷小兵和夏木同时对何伟光放心不下，两人先后来到了何伟光工作的屠宰场，但经过冷小兵的仔细观察，确定何伟光不是海舟案凶手。夏木为了调查海舟案，偷走了冷小兵的档案柜钥匙。另一方面，沈雨托好友胡刀刀调查到了夏木的治疗记录，而且她怀疑自己的父亲其实没有失踪，而是一直秘密地生活在他身边。
夏木偷偷进入高鹏办公室试图偷卷宗被冷小兵发现，两人发生争执。沈雨通过一次心理学论坛，接触到了夏木的主治医生潘闽生，从他嘴里得知了夏木入警之前的心理治疗状况已经痊愈，夏木现阶段的心理状态一定是受到了新的刺激。潘闽生提醒沈雨，夏木现阶段的心理状态有可能和他曾经生活的湿地保护站有关。冷小兵对夏木的执着十分担心，怕夏木犯错误，于是冷小兵带夏木去了自己家里，答应帮助他私下调查海舟案，并将自己收集的所有资料分享给了夏木，但同时也对夏木约法三章，不允许夏木再单独行动，以后无论发生什么，两人都是亲密无间的合作伙伴。沈雨独自来到了湿地保护站，谎称自己是夏木女朋友。
沈雨独自来到了湿地保护站，谎称自己是夏木女朋友。从工作人员口中得知，夏木的姥爷已经在去年10月去世了，是被两个盗猎分子杀害的，其中一个被打成了重伤。冷小兵来到肉类批发市场，调取了夏木的监控，发现夏木曾经犯过病，他将视频发给了安定医院的黄院长，黄院长告诉冷小兵，这种情况很可能是精神类疾病。为了让冷小兵深度了解，黄院长把潘闽生的心理论坛视频给了冷小兵；冷小兵在视频里发现了沈雨，然而黄院长却告知潘闽生当天的心理论坛会未邀请沈雨。小刘和陈涵接到冷小兵消息，私下调查沈雨和潘教授。与此同时，冷小兵和夏木从沈海洋的失踪查起，发现他的失踪非常蹊跷。夏木顺着冷小兵给的线索，也找到了当年给警队报警的公用电话，试图找一下当年的拨打记录。沈雨和胡刀刀在夏木家的对面租了一间房，在里面安装了监控设备，监视夏木的生活。沈雨给何伟光去电慰问病情，并嘱咐其次日来医院治疗。夏木导出了电话里储存的号码，终于拨通了一个，电话那头传来沈雨的声音，他一时激动，晕了过去。
夏木被急救车抬走，沈雨趁乱将透明胶带贴锁孔处，待所有人员离开后，进入夏木家中，她拍下了夏木黑板上的海舟案资料。夏木在医院里醒来，他意识到不对，马上赶回家中。另一方面冷小兵接到了新安县的电话，告知了夏木姥爷被杀的消息，并问起夏木是否一直在海舟市，因为那个重伤的盗猎分子几天前死在了家里。沈雨继续对何伟光进行治疗，她通过心理暗示的方式让何伟光认为自己曾经遭遇的那次车祸是2000年9月4日，又诱导何伟光说出了一段“承认”自己杀人的话。冷小兵继续调查夏木跟丢沈雨当晚的视频，认定夏木患病，并且受到过二次伤害，应该跟他姥爷的死有关。何伟光在医院里醒来后，沈雨嘱咐其记得按时服药，并且出去走一走，大概2小时候之后再回家。何伟光回到家里，他发现家中布满了关于海舟案的照片……
沈雨继续对何伟光进行洗脑，这一次他让何伟光清楚地记住了海舟系列案每一案的准确信息。并且谎称自己的摄像机坏了，找来同事为何伟光“作证。”夏木不死心，来到沈雨当年报沈海洋失踪案的派出所，同样得知了沈海洋消失的十分蹊跷。突然，一个浑身是血的女人来到派出所自首，她自称杀死了自己的老公。沈雨叫来同事，在他的见证下，何伟光亲口说出了自己跟海舟案的关系。冷小兵带队来到曹瑛侠杀夫的案 发现场，并与法医了解案发现场的状况，及死者死因。沈雨同事分析了何伟光的病情，并且建议将其送往安定医院接受治疗。随后沈雨来到医院档案室，在何伟光的病历里更改了日期，加入了几张烧伤照片，窃取某x光片，并且销毁。
冷小兵认为曹瑛侠应该是长期遭受精神虐待而导致的杀人，只要曹瑛侠能够亲口说出自己的受迫害经历，那么在量刑上就能够争取减刑。因此，警队觉得从医院找一个专业的心理医生来协助审查。夏木回到家里后，从中介的口中的得知了胡刀刀前不久在自己家对面租了一套房子。于是他暗中套取了胡刀刀的家庭住址。夏木来到胡刀刀家，威胁他配合自己。第二天，冷小兵带着夏木去医院请沈雨，沈雨同时接到了胡刀刀的电话说已经查到了海舟案已经重启调查。夏木故意让沈雨发现了专案组办公室。经过审问，曹瑛侠的精神状况依然很糟糕，沈雨顺势提出要去离卫生间近的地方做心理疏导，以便曹瑛侠过度紧张产生应激反应，夏木马上提出可以让她去专案组办公室旁边的杂物间……而此刻，夏木故意支开警员，自己也找借口离开专案组办公室附近。沈雨借机进入专案组办公室内。
高鹏认为夏木近期因精神状态不佳，上级决定让其放几天假。冷小兵得知后，让陈涵跟着夏木，不让他做傻事。此时，夏木来到医院，再次逼问沈雨，沈雨将从保护站带回来的东西给了夏木，劝他从过去走出来。深夜，夏木回到家后，内心无比的压抑与愤懑。夜里，夏木在家中无助饮酒，似乎隐约的看到了已故的姥爷。此时，冷小兵根据老步话机里导出的电话号码，锁定了当年沈海洋家的电话号码。随后，陈涵向冷小兵汇报了夏木白天离开警队的状态，及所发生的一切。冷小兵得知了夏木的情况，深夜前往夏木独处的地方，看着夏木在地下通道失意的样子，冷小兵安慰他，两人交心畅谈。谈话间，在得知步话机里的电话号码是沈海洋家电话之后，两人认为这是一条可以突破的线索。 夜晚，冷小兵载着夏木在车上谈心。次日清早，冷小兵推门而入，夏木熬夜查了一宿的线索，却还是没有进展。此时，冷小兵突然接到电话，又发生了一起新案件，冷小兵随即赶到案发现场，确定死者为一名女性，且案发现场发现了一个闹钟，和海舟案凶手的作案手法相似，冷小兵陷入沉思……
夏木从陈涵口里得知，现在的证据链已经完整，就算没有何伟光口供，也可对其定罪；而夏木更难受的是，因证据不足，无法给沈雨定罪。当晚，夏木独自一人来医院，找到了即将离开医院的沈雨，邀请沈雨出去谈谈心，希望以此引出沈海洋。事后，高鹏审讯了沈雨，得知沈雨当晚确实去观看莎莎的演出；之后追问他的父亲当年是如何失踪的。冷小兵向高鹏澄清了当年的事情。且向高鹏推测，沈海洋有可能就是当年海舟案的凶手；但却被高鹏因证据不足而驳回。但高鹏会接着冷小兵的的线索，在DNA数据库里比对沈雨的DNA，寻找是否有匹配上的。沈雨在最原始的方式，见人就问，四处打听着沈海洋的线索。
高鹏打电话告诉冷小兵沈海洋的尸骨找到了，劝冷小兵死心。可是冷小兵依然不想放弃，带领小刘陈涵前往了泽县殡仪馆，亲自检查沈海洋的尸骨，尸骨上没有线索，但是从沈海洋的随身物品里，找到了一张300路车票和一个针头，冷小兵让小刘带回去化验。结果技术队在针头中查到了有麻醉药和肌松剂的成分，证明他也是被凶手所杀，并且冷小兵分析，沈雨是将凶手当成了自己的父亲，一直被凶手操控着，冷小兵把分析的结果告诉了高鹏，高鹏决定将沈海洋被杀一案和海舟案并案调查。冷小兵接到夏木，夏木无法接受沈海洋已死的现实。沈雨回到医院上班，收到了一条短信，她意识到有人在监视他，于是出去四处寻找，却没有找到，于是她把电话拨了过去，凶手告诉她很快他们就会见面了。
冷小兵和陈涵来到了周小云家，发现周小云已经精神失常。事后，冷小兵和陈涵分析，是凶手一直在沈雨背后塑造她，改变她。冷小兵和顾法医通过何伟光家搜出的照片判断出凶手精通摄影，很可能在300路公交沿线的照相馆里工作，夏木也通过分析得出了自己的老师生前应该去过照相馆，结果他寻找老师的遗物，果然在里面找到了一张照相馆取照片的底联。照相馆的名字是红光照相馆。冷小兵也通过排查找到了红光照相馆，在里面果然发现了很多海舟案受害者的照片，于是冷小兵带着照片和照相馆老板一起回到了警队。
沈雨意识到危险之后，主动来到警队寻求保护，期间他跟冷小兵交代了沈海洋和胡山泉的往事，沈雨长大后，胡山泉经常神秘地出现，监视着她的生活。根据沈雨提供的证据，警方确认了胡山泉就是凶手，准备开始抓捕行动，沈雨下楼后，冷小兵开车跟上她，夏木也悄悄地跟了过去。胡山泉准备好一切后出门，临行前给沈雨发了短信：下午三点，城南百货批发城见。警队的人也跟随沈雨调头而去。冷小兵到现场后开始布控，他跟随沈雨来到一家图文店，终于找到了胡山泉的踪迹，这么多年来，胡山泉一直在冒用沈海洋的身份在这里工作。搜查完毕后，冷小兵带人离开，却意外看到了夏木，冷小兵带人追了过去，被夏木逃走，但是却听见一个人说，有个老头遗落了一个箱子，冷小兵意识到那个人就是胡山泉，于是在他人的引导下，找到了胡山泉的面包车。
胡山泉迷迷糊糊地睡到了酒店的后门，被早起的服务员发现，他们打电话给了沈雨，沈雨立刻出发前往饭店，她同时把信息发给了冷小兵和夏木，三人一起前往饭店，沈雨在宴会厅里坐下，这时胡山泉端着一盘菜出现，沈雨找到机会拿出剪刀猛地刺向胡山泉。另一方面，高鹏也带人赶到。受伤的胡山泉想要逃跑，却被冷小兵和夏木挡住了去路，无奈之下他只能劫持了沈雨。胡山泉认罪，冷小兵通过将手拿手枪来还原场景，终于让胡山泉记起了一些事。也阐述了自己当年的杀人理由，而他原来杀人的地方，也早就变成了高楼大厦，也回忆了当年杀沈海洋的全过程。
