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1997年未能侦破的特殊杀人案件在13年后重现，当年一直没有追查到真凶的刑警卫峥嵘（陈建斌 饰）备受打击离开一线，而曾经初出茅庐的新警陆行知（陈晓 饰）褪去稚嫩青涩，已成为缜密细致的刑侦能手，案件的重重巧合让师徒二人再次走到了一起，合力追缉真凶。
2010年，南都市发生一起恶性命案。看到年轻女孩的死状，刑侦大队长陆行知想起十三年前的悬案。 1997年，陆行知刚加入警队，师傅卫峥嵘性格豪爽，对书生气的徒弟看不顺眼。第一起命案被害人与2010年相同的是，她们都姿势怪异，且现场都有一根HB铅笔。
1997年的被害人柳梦是一名歌舞厅的舞者。 2010年的死者王楠楠也是跳舞的。悬案还是警察们的隐痛，而卫峥嵘早已不在刑警队。陆行知和妻子杨漫离婚了，有一个十六岁的女儿陆安宁。 1997年的第一名嫌疑人是香港大明星黄家杰。
1997年，经过调查，黄家杰没有作案时间。卫峥嵘刚离婚，他和帮警队检验物证的大学研究员白晓芙有过恋情。 2010年的被害人王楠楠身上发现一根头发，DNA居然与1997年的柳梦一致，确定是当年的凶手再次作案。 卫峥嵘现在是派出所一名普通民警。陆行知请他回归，他拒绝了。
1997年，有人告发，凶手是柳梦的追求者姚乐，落魄摇滚歌手，已经潜逃。 陆行知与妻子杨漫的高干父母吃饭时，碰到杨漫的发小杨哲，也是高干子弟，他喜欢过杨漫。 2010年，卫峥嵘虽然拒绝了陆行知，却忍不住去打探消息。
1997年，陆行知意外得知，姚乐回来了。卫峥嵘带儿子吃肯德基时，正撞见姚乐，把他擒获。姚乐坚决不承认行凶。因为他真心喜欢柳梦。这时又一起命案发生。 2010年，卫峥嵘终于忍不住回来帮忙。他和陆行知一起去找姚乐，现在他是王楠楠的男友。
1997年的第二个被害人与柳梦死状相同，姚乐的嫌疑排除。死者杜梅是自行车厂女工，有个三岁的孩子宁宁。 2010年，姚乐说王楠楠有一个QQ网友，网名叫HB，IP地址在一处网吧。从网吧监控中发现了1997年的嫌疑人之一马成群。马成群曾追求杜梅，被泼了一脸油漆，放过狠话。
1997年，马成群是著名钉子户，提了汽油在房顶上闹事，穿透屋顶掉了下去。他交代，杜梅被杀当晚，他在家盖房。他还说，杜梅以前她不是工人。 2010年的马成群有六套房。他喜欢开大车，天南地北到处跑。卫峥嵘在澡堂守到了他。
杜梅曾在洗浴城工作，三年前怀孕辞职。卫峥嵘问洗浴城老板“刀哥”郭胜利，他否认认识杜梅。 陆行知夫妇决定收养孤女宁宁。 2010年，马成群说，当年那个晚上，他见到一个戴鸟头面具的人，骑一辆小摩托。卫陆二人寻访时，发现在摩托修理店干活的刀哥。
1997年，刀哥向卫峥嵘承认他和杜梅好过。他要帮警察抓凶手。 2010年，郭胜利刚出狱，变得苍老怯弱，他认为当年的凶手是对头白小伟，已经被他废掉了。得知搞错，郭胜利昏倒了。 少女陆安宁开始做恶梦，似乎记起了当年那个可怕的夜晚。
2010年，陆安宁网上搜索当年的杀人案，认识了杨漫的学生吴嘉。 卫陆二人发现当年郭胜利的手下“细虫”曲振祥，现在是明星企业家。 1997年，专案组刑警老杜被一辆丰田皇冠蓄意撞伤，疑似郭胜利的车。卫峥嵘去抓人，却听说白小伟被郭胜利砍了。
2010年，郭胜利醒了，说1997年“细虫”曲振祥说他发现了凶手，就是白小伟。郭胜利单刀赴会去把白小伟给废了。卫峥嵘亲手把他抓了。 陆行知确信这是当年曲振祥做的一个局，搞掉了竞争对手，也搞掉了自己的老大
1997年，又发生一起命案，死者的样子与前两起非常相似，现场有铅笔。 卫陆二人询问死者丈夫迟永，卫峥嵘判断，迟永的杀人嫌疑极大。迟永认罪了，说自己就是连环凶手。 然而陆行知认为迟永是模仿杀人，经过调查，果然如此。案件又回到原点。
1997年，线索穷尽，进入僵局。陆行知发现，养女陆安宁有一个草莓形状的娃娃，曾被凶手拿走。 2010年，杨漫偶遇杨哲。得知1998年初杨哲出国了，今年刚刚回国。 卫陆二人拜访曲振祥，曲振祥打太极，什么都不说。陆行知很恼火。
1997年，卫峥嵘焦头烂额，决定诱捕。每晚潜伏，守株待兔。一晚差点抓到凶手，还是被他逃脱。卫峥嵘十分愤怒。以及听说曲振祥每晚都去上夜校，行踪诡秘。 2010年，陆卫二人再次拜访曲振祥，一番敲打，曲振祥滴水不漏。他们悄悄采集了曲振祥的DNA。
1997年，卫峥嵘发现，曲振祥接管大富豪以后，居然开始文明经商。 2010年，郭胜利被伏击身死。毫无疑问是曲振祥指使。陆行知要抓人，却得知曲振祥是上级反腐案的关键目标，不能动。 又发生了一起命案，被杀女孩身边有一个草莓娃娃。
2010年，被杀女孩薛红死前似遭到殴打，不符合凶手的习惯。陆卫二人推测，凶手出现变化，也许老了。 1997年，陆行知认为一起1995年的案子是凶手的第一案。在死者莫兰的住处，果真发现一张素描，画上的女性姿势和柳梦被杀时一模一样。
1997年，卫峥嵘询问白晓芙莫兰案物证，生物检材太少，没有检验价值。白晓芙前夫对卫峥嵘有些敌意。 陆行知认为凶手和莫兰都喜欢读侦探小说。他们试图找到那个频繁借书的人。 2010年，卫陆二人发现莫兰案物证没有了。
2010年，终于找到白晓芙归档的莫兰案生物物证，可以检验凶手DNA了。 反腐案收网。陆行知抓了曲振祥之后，得知薛红姐妹齐莎莎在找他，留言说她知道真凶是谁。陆行知去找她，电话一直打不通。 1998年，卫峥嵘被专案组换将了。
2010年，陆行知在美发店发现齐莎莎遇袭，生命垂危。后走访得知，他赶到时，凶手刚离开半小时。 1998年，卫峥嵘将莫兰的画交给专家辨认指纹，没有发现凶手的，不过专家提到，有个人喜欢画这种画。这个人居然是他们数次走访过的混混武小文。
2010年，美发店附近调取的监控人流量太大。陆行知想让陆安宁辨认凶手，杨漫不同意。陆行知累倒住院了。 1998年，卫峥嵘和陆行知盯上了武小文，了解到这个混混居然出身书画世家，其实他很爱看书，经常去图书馆。
