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1988年，刑警卫国平（张译 饰）在追捕连环凶杀案的行动中目睹战友牺牲，而凶手却逃跑了，此事成为卫国平的心结。八年后，宁江市发生了骇人听闻的碎尸案，此时卫国平已成长为成熟的刑警队长。他在带领队员调查的过程中相继破获了不少相关案件，但是碎尸案始终充满疑云，并且很多线索与八年前的连环凶杀案有关，这些发现让卫国平振奋但也成为他后来判断案情的阻碍。在案件的推进过程中，聂宝华（赵阳 饰）的犯罪集团也介入其中，最终卫国平在领导和队友的帮助支持下，抓获了八年前的凶手，同时打掉了以聂宝华为首的犯罪集团。
宁江市出现了重大案件，接连有两名年轻女性遇害，凶手是个左撇子，作案手法是割喉。保卫科的年轻的刑警卫国平与师兄陈山河巡查时刚好撞见凶手作案，卫国平救下受害人聂小雨，而陈山河却在追赶凶手的过程中英勇牺牲，死在了迟来一步的卫国平怀里。八年后，卫国平已经成长为宁江市赫赫有名的刑警队长，他一直在追查杀死战友的那个“割喉恶魔”，然后这个人却在接连几次作案后突然销声匿迹，长达三年时间毫无音信。
卫国平接到报案，在一个居民垃圾点发现了疑似人体组织。宁江市公安局为此成立的专案组，在顾卫东和省公安厅刑侦专家吴克的带领下开始了紧张的侦查工作。卫国平作为骨干处处与吴克意见不一，吴克似乎也有意要针对这个“刺头”，两人之间火药味儿十足。卫国平主动要求带自己的三队去垃圾处理站寻找线索，到了现场却被硕大无比的垃圾山给惊呆了。有夜巡的民警曾经见到一个可疑的人物，卫国平立刻跟组员汤志远前去调查。
卫国平在调查各单位失踪女性时，发现其中有电机厂的工会主席高秀莲，但报案后又撤案。他找到陈永贵询问详情，得知高秀莲得罪了聂宝华的手下虎子，有人看到她被人尾随后失联，但厂领导为了息事宁人将事情压下来内部处理。陈浩瀚是烈士陈山河的弟弟，哥哥死后他开始不好好上学，跟着社会人士胡混。卫国平来到美高美，果然发现并解救出了被虎子绑架威胁的高秀莲，而虎子则在逃跑过程中失足坠楼身亡。
卫国平之前在垃圾转运站的工作收获了不少新的线索，尤其是发现了一件写有名字的女士外套，而找到这个名叫“艾卿”的女人是接下来案件的突破口。聂宝华正对赵刚撺掇虎子绑架高秀莲的事情不满，刚好借此机会敲打赵刚。赵刚表面顺从，答应放过陈浩瀚，其实心里早就对聂宝华产生了不满。聂小雨利用自己的社会关系，打听到美高美有个姓艾的工作者在案发前后忽然离职。卫国平根据聂小雨提供的线索抽丝剥茧，发现那名失踪的女人的真实身份是幼儿园老师。
卫国平和三队队员不眠不休地继续查找“艾卿”，他发现失踪人员名单里有个医学院的女孩名叫余爱芹，推测出“艾卿”有可能是余爱芹的化名。卫国平等人来到宁江市医学院，果然在解剖教室里发现一块可疑的人骨，唯一可以使用这个教室的老师薛家键刚巧出现，看到警察后又如同惊弓之鸟般立刻逃跑。干警将学校全部围了起来分区域搜查，然而薛家键却似乎消失了。学校因为教学秩序受到干扰而提出了意见，最后在卫国平的建议下暂时停止了搜索行动。
卫国平得知审讯没有自己的份儿大为意外，认为又是吴克在针对自己。眼看顾卫东又要批评他，宋哲主动提出卫国平比自己更适合审讯。卫国平被冲昏了头脑，完全不按照顾开岩制定的预审方案来配合，反而被薛家键影响了情绪，顾开岩跟他发生了争执。经过进一步调查，宋哲又找到一些新的物证，而卫国平也从法医那里得知尸体上有特殊花纹，里面还混有水泥块，很可能跟作案地点的环境有关。
卫国平在薛家键女友梁芸的房间，发现了跟尸体上的特殊花纹相符合的棕垫。顾开岩以被发现的女士内衣作为突破口，给了薛家键很大的心理压力。顾开岩根据宋哲找到的新物证找到了一名女子，通过跟她的交流，顾开岩意识到她很可能被薛家键侵犯过。汤志远在调查薛家键背景时发现他跟八八年连环杀人案在时间上有着某种巧合，卫国平更加坚信此人有重大嫌疑。梁芸家提取到一枚带油脂的指纹，大家将希望都寄托在跟薛家键指纹的比对结果上。
吴克此时已经正式调任宁江市公安局的政委，他在课上强调“破案要勇于推翻自己，没有真相就没有正义”，这对处于低谷的卫国平既是告诫、也是鼓励。卫国平在领导和同事的帮助下重新振作起来，向队员们承认自己对88年旧案的执念干扰了案件的侦破工作，并开始重新梳理案情。当年害卫晓霞受伤致残的王德发刑满释放，还住到了卫晓霞家对面。卫国平警告王德发远离，但王德发却说自己爱住哪就住哪，卫国平也无可奈何。
卫国平继续从余爱芹入手进行调查，这一次他运用了从顾开岩那儿学习到的沟通技巧，更深入地了解了余爱芹的生活状态，得知余爱芹去旁听过薛家键的课。赵公子对遇到蒋广善的事情完全没有放在心上，他来宁江的目的也是看中了电机厂，想要跟聂宝华合作将它一举拿下。聂宝华想要拉拢同为电机厂出身的卫国平，于是借口给妹妹聂小雨过生日将卫国平带到自己的会所。聂小雨解释自己并不知道哥哥的真实用意，卫国平冷言冷语令她十分伤心。
卫国平开始沿着余爱芹的爱好为线索进行进一步的走访摸查，得知余爱芹跟自己的男朋友是笔友，平时是通过书信往来。蒋广善去给老婆送饭，半路被人拉去参加地下赌局。他的手气极佳赢了不少钱，谁知半路却遭到四个歹徒抢劫，他跑到派出所报案，说自己给老婆的医药费被抢了。顾开岩还在努力寻找与薛家键有关的受害者，终于通过那些女士内衣找到了薛家键的第一个受害者。
卫国平等人尾随胡峰来到一处废旧工厂，在他即将制作标本时将他抓捕，现场的条件果然和他们预计的一样。通过对胡峰的审讯，顾开岩发现此人尽管心理扭曲，但极为轻视女性，根本不可能为陈海平去报复薛家键，并且跟余爱芹也没有任何交际。王德发被社会人员恐吓并且发生肢体冲突，他要告卫国平利用权力意图赶走自己。卫国平向他保证自己绝对没有这么做，但也会给他一个交代。电机厂忽然发生火灾，造成了人员伤亡，初步调查是有人故意纵火。
随着调查陷入僵局，卫国平再也忍不住了，直接在案情分析会上说出了自己的观点，吴克对他的说法不置可否，只要他拿出行之有效的办案手段。卫国平主动找到聂小雨，让她利用自己的社会关系帮助自己留意相关线索。电机厂纵火案让聂宝华焦头烂额，赵公子渐渐失去了耐心。赵刚趁虚而入要求跟他合作，并且暗示纵火就是自己的主意。赵刚派人去蒋广善店里骚扰，让他根本没法做生意，最后还将他的小吃店砸得乱七八糟，陈浩瀚于心不忍，劝蒋广善搬走。
黄毛交代了自己纵火的事实，并说是一个叫何勇的人指使自己干的。何勇所在的酒吧周围已经被警方围了起来，赵刚立刻召集了大群不明真相的社会青年，让他们制造事端掩护何勇离开。陈浩瀚在酒吧街附近闲逛，无意中混入了社会青年队伍中。卫国平误以为他跟掩护何勇有关，情急之下叱骂他，却被陈浩瀚失手打昏了过去。赵刚因证据不足再一次躲过了警方的审查。
一位女子被一辆神秘面包车扔到了荒郊野外，就在她哭泣痛骂的时候，一双黑手扼住了她的喉咙。卫国平赶到现场发现了轮胎痕迹，还有女孩的证件以及一沓钞票。法医对死者颈部的勒痕进行分析，推测凶手大概率是左撇子，这跟当年的“割喉恶魔”一样。卫国平在死者李雪梅的衣物上发现了雪茄的味道，同时发现李雪梅遇害前去过文化馆，联想到艾莹和余爱芹都曾有过文化馆的纪念品，他和刘顺奎决定去寻找线索。
卫国平和刘顺奎再次回到文化馆调查，馆长说出这个男人叫赵公子，只知道他很有钱和背景，其他情况所知甚少。聂宝华承认自己跟赵公子有业务往来，但对这个人的真实身份甚至是姓名都不清楚。卫国平正打算继续调查赵公子的情况，忽然被纪委暂停了工作，要他接受调查，原来有人举报他利用职权。卫国平被调查，赵公子大赞聂宝华有手段，他决定将电机厂工人都赶走然后搞房地产，这让聂宝华十分不快，强调自己才是这件事的主导。
聂宝华正在头疼如何对付赵公子，三火来汇报说蒋广善跑了，聂宝华虽然有些生气，但觉得目前这不是最重要的事情，如果不能尽快让工人们在协议书上签字，赵公子就会再生事端。电机厂忽然发生了凶杀案，一名叫王琳琳的女工被害，而作案手法跟当年的“割喉恶魔”完全一样。赵公子得知电机厂出了人命，兴冲冲来找聂宝华要他趁热打铁，借工人们人心惶惶的机会逼他们签字，谁知聂宝华却要把主要力量放在寻找“割喉恶魔”上，为差点死在他手上的聂小雨讨回公道。
卫国平劝陈浩瀚不要被人利用，陈浩瀚反唇相讥说当年牺牲的应该是他。王德发来找卫晓霞还毯子，当得知她要搬家之后十分惊讶，并为自己当年伤害了她而道歉。聂宝华告诉聂小雨自己要出门，让她代替自己去另一个地方办事，同时建议她让卫国平同去。聂小雨找到卫国平，却被卫国平干脆地拒绝。卫国平再次来到医学院，无意中找到一张余爱芹书籍的散页，还没来得及仔细检查就收到一条信息说有人要对付姓聂的。
聂小雨坠江，当车辆被打捞上来时，里面空无一人，聂小雨究竟是生是死无从知晓。伤心欲绝的卫国平自责当初没有陪聂小雨一起外出，沿着江水没日没夜地寻找着聂小雨的踪迹，顾卫东和刘顺奎来劝也没有用。聂宝华其实知道宝丽是来替赵刚卧底的，但他没有想到宝丽会对聂小雨下手。赵公子一反常态，不但对聂宝华表示同情，还主动要帮他继续寻找聂小雨，聂宝华对他的态度也有了转变。
赵公子主动来警察局接受调查，然而他早已做好了充分的准备，顾开岩都很难抓住他的破绽，但宋哲闻出了他身上特殊的雪茄味儿。宋哲拿着赵公子扔掉的丝巾去找卫国平，卫国平一下就闻出跟李雪梅衣物上的气味儿是一样的。卫国平来到蒋广善的小吃店走访，却发现已经人去楼空。他里里外外检查了一遍，但没有发现什么可疑之处。卫国平又去了当时蒋广善被抢劫的地点，感觉实际情况跟蒋广善说的不完全相符。
卫国平以为王德发要对妹妹不利，将王德发收拾了一顿，谁知妹妹告诉他王德发是在救人。王德发还告诉了卫国平一个线索，他的一个外地狱友来宁江在三火手底下做事。包维强找到了抢劫蒋广善的劫匪，却得知劫匪根本没有得手，这说明蒋广善撒了谎，他的钱根本没丢，而且从劫匪的伤口来看，蒋广善是个左撇子。蒋广善每天给聂小雨吃下镇静剂，外人根本想不到人来人往的饭店里藏着这样可怕的秘密。
