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一场高速公路车祸，牵出一桩精心策划的连环杀人案。刑警严密与孙荀依靠专业的探案经验层层深挖，逐步揭开了一场延续数年的复仇阴谋。案件调查期间，严密意外得知，自己向来亲近信赖的已故恩师之子周冠男，也深陷这起案件，而连环案件中线索相互缠绕，隐秘证据逐步浮现，他们发现案件背后掩埋的过往与残酷真相，远比想象中更为惊人……
深夜，乔思思化妆时遭黑影袭击被勒晕带走。浓雾笼罩的郊区土路上，货车司机小张险些撞上假人，意外发现货车后拖拽着残肢，惊恐不已。次日命案现场封锁，法医勘验发现尸块破损严重、头颅缺失。孙荀与严密结合现场痕迹，判定并非车祸，是凶手借大雾抛尸。法医鉴定证实死者颈部留有金属残留，头颅遭器械钳断。另一边，周冠男在出租屋内，诡异观看女子受害的录像带，暗藏杀机。
严密、孙荀等人根据线索来到物流园排查，抓获嫌疑人——货车车主吕伟。严密回到刑警队，往年回忆浮上心头，得知给周冠男寄的生活费全被退回后沉默不语。刑技发现货车的问题，孙荀提审吕伟却发现他并非凶手。事态严重，赵政国宣布5·17专案组就此成立。深夜的地下车库灯光闪烁，孔娇惊慌奔逃。戴兜帽的神秘男子吹着《找朋友》口哨尾随，举起斧头砍向孔娇。
设备间里，男子手起电锯落，血液喷溅。荀密在陈尸土路勘察，初步提出有关凶手的假设，决定扩大范围查环城路监控。警员赵小晗调取关键监控，锁定了孔娇与紫铭花园的线索。荀密走访得知孔娇有同居的男人。二人进屋查看后判断孔娇非凶手且凶多吉少。贾鹏与林骁在地下车库找到孔娇的车。刑技人员勘查车辆，严密发现通道地面有笑脸样血迹，众人顺着血迹来到设备间，手电光束下，一具穿防火服的拼接女尸挂在横梁上，众人震惊无言。
地下室，李珍证实地下室女尸躯干与头颅分别来自两个人，并确认地下室为第一案发现场。荀密回到紫铭花园查看监控，得知电梯曾异常运行。严密通过案件重演法推断凶手的行凶过程；孙荀在楼梯间发现矿渣与打斗痕迹。天桥上，小丑打扮的周冠男卖儿童气球，意外碰倒了小女孩，遭到嚣张家长的辱骂推搡。周冠男假发掉落，暴露出丑陋的伤疤。另一边，林骁查到公路案死者与孔娇曾同在弧光KTV工作。深夜，马金光被神秘人跟踪，警觉转身。
五年前，肇事司机马广福出狱后滥杀无辜，被荀密追赶至天台，走投无路跳楼身亡。时间回到当下。公路案死者身份查明：乔思思，与孔娇五年前均在弧光KTV（现夜嗨酒吧）陪酒。孔娇的同居男友叫马金光，马广福之子。荀密询问马金光，却得知他有不在场证明。询问中，弧光前经理张彪走入警方视野。荀密随即找到张彪，并了解了孔、乔二人的过往。酒吧门口，孙荀向载过乔思思的出租车司机打听线索时，酒吧突发爆炸，严密被气浪攻击后昏迷。
夜嗨酒吧突发爆炸，严密被气浪掀飞受伤，张彪当场身亡，孔娇的头现身一旁的纸箱。现场的炸药与钢珠均指向五年前旧案，严密严重怀疑马金光。马金光找到警方，称孔娇生前受一个叫“小燕”的女人影响。荀密走访张彪妻子王洪佳，发现她言行反常，仿佛早知张彪会遇害。贾鹏排查到可疑纹身男的监控，严密查看时偶遇扮小丑的周冠男，对方因当年爆炸案对严密充满怨恨，不愿与其交流，孙荀来劝和。
吴小燕被警方带回，在其房间内发现孔娇的存折。严密前往矿洞调查马金光的不在场证明。吴小燕接受询问，加重了马金光的嫌疑。矿洞这边，严密遭打手袭击，亮明身份后控制局面，警方带走绳子与电子铃作为证物。王洪佳按约到江边，纹身男现身。刑警队，吴小燕和马金光扭打成一片，被警方拉开。审讯中马金光承认曾带绳子回家想绑住孔娇挽留，但否认杀人，绳子未检出孔娇DNA。河岸边，陈昭收钱后遭另一名带红色文身的男子持刀威胁。
王洪佳归家时被黑衣人影尾随并未察觉。陈昭因接私活被郝卫国控制，警方赶来棺材铺，陈昭趁机躲进鸡笼。荀密进店发现棺材内藏有大量现金，郝卫国谎称不认识陈昭，破绽百出。陈昭逃跑，追捕中孙荀被车撞倒，陈昭逃脱。众人从陈昭家中搜出数码相机，发现他跟踪张彪、乔思思，成为嫌疑人。夜深，孙荀提议去老韩头餐馆吃饭见冠男，严密立刻同往。周冠男对严密依旧充满怨恨，二人不欢而散，马金光提供新线索。
周冠男准备作案；陈昭狼狈躲藏；审讯室，马金光供述了案发当晚实情，不在场证明成立。刑警队追踪陈昭到废弃棉纺厂，孙荀带队包围。陈昭承认是王洪佳买他杀张彪。虽未得手，还是拿到了钱。荀密发现王洪佳再次失联，赶到其家中，发现大门虚掩，屋内空无一人。现场找到带血迹的钢珠和笔记本。王洪佳已被穿雨衣的神秘人用锤子砸晕，装进了行李箱后离开。警方从监控看见她坐在车辆副驾，开往山中。
小木屋中，马金光在制作炸弹。贾鹏汇报王洪佳的行动轨迹，笔记本线索证实她曾是弧光KTV主管。警方追踪到王洪佳的车，循迹至小木屋，现场留有背包，痕迹均指向马金光。调查得知，马金光是矿上炸药黑市的介绍人。孙荀则在玉米地发现深脚印与摩托车印，推断凶手曾背着王洪佳骑车离开，直指老矿山。严密冷静思考后怀疑凶手是刻意嫁祸马金光，随即赶往矿洞，孙荀也率人前往支援。严密察觉疑点，认为凶手是故意伪造证据栽赃马金光。
烈士陵园，严密在周刚墓前倾诉从警信念，神秘人暗中窥视。马金光进入矿洞放置炸药，发现了被挂在铁钩上、浑身是伤的王洪佳。严密循着声音找到马金光，告知其被凶手利用。矿洞突发爆炸。赶来的孙荀被气浪扑倒，艰难起身救出严密。神秘人凶手露出真面目：周冠男。医院里，贾鹏汇报现场证据，孙荀因严密的话心生疑虑。周冠男回到出租屋，在照片墙上给王洪佳照片画叉，凶手身份彻底曝光。
警笛声响彻天际。小弟慌乱，郝卫国气定神闲。矿洞现场未发现第四人的痕迹，孙荀听后坚持继续排查。刑警队，孙荀向赵局汇报案情，还提交降职申请，赵局驳回并要求全力破案。李珍检出王洪佳身上残留的菌丝。周冠男现身医院探望严密，病床上严密眼皮微动，似有察觉。严密醒来后擅自出院，与孙荀汇合后发现凶手故意留下的线索。得知马金光是炸弹制作者的时刻，严密终于释怀。他决心直面责任，与孙荀共同面对凶手的挑战。
郝卫国逼迫商店老板还债。周冠男扮作顾客假意上门，将带血木工手刀藏进棺材。严密分析马金光的嫌疑是凶手刻意设计，贾鹏汇报矿洞爆炸情况。王洪佳伤口木屑为金丝楠木，荀密带队前往棺材铺。郝卫国在棺材里睡觉，店内找到带血木工手刀。郝卫国否认涉案，称案发时有人证。王警官后续证实郝卫国的清白。严密在烈士陵园偶遇周冠男，坦诚自己对当年案件的愧疚。郝卫国嫌疑排除离开刑警队，在绿化带撒野尿时突然被人捂住口鼻。
清晨，路人在绿化带发现郝卫国的尸体。警方封锁现场。现场仅留有郝卫国一组脚印。李珍初步判断郝卫国无外伤，验尸后证实其死于颈动脉窦抑制，凶手具备专业医学知识。警方在郝卫国钱包中发现一张胶片，冲洗后所有受害人浮现。相片交卷成为关键线索。荀密找到曾在弧光KTV工作的二勇，对方确认照片场景并非弧光KTV。医院附近，周冠男扮成环卫工人四处观察，看见假医生刘江欺骗患者，神情愈发凝重。
夜晚，孙荀约辉总等大佬在火锅店寻求线索，在一番交涉下得知照片中侧脸男是出手阔绰的医疗行业老板。周冠男在出租屋绘制平面图，规划针对刘江的行动路线。次日，刘江在医院门口被患者家属王桂芳追责，甩开对方跑脱。贾鹏查到医疗老板是刘江，荀密等人立即前往医院抓捕。周冠男装病伺机下手杀害刘江，荀密赶到，周冠男先一步离开，刘江逃跑，众人追至太平间，周冠男在楼梯间暗中观察着这一切。太平间门缓缓打开。
荀密在医院太平间逮捕刘江。刘江诡辩，拒不配合。询问刘江妻子时得知，刘江每日轨迹可循，有不在场证明。荀密软硬兼施，得知了照片背后的部分前因后果，又因证据不足只能先放人。警方派人监视刘江，乔装打扮的周冠男查明情况后悄悄离开。刘江来到医院厕所，同时与张文东碰面。张文东指责刘江，言语间充满威胁，走前扔给刘江一笔钱让他离开。
刘江逃跑到郊外，酒壮怂人胆，刨坟挖尸。警方设局假扮刘江，不料引出王桂芳，周冠男借机逃走，警匪展开追逐。刘江收到要挟电话和流血洋娃娃，不顾警方保护，从女儿小饭桌逃跑。荀密根据线索追到刘江下车点，在得知桥下起火后又返回。熊熊烈火中发现刘江身份证。周冠男在桥上启动摩托，与荀密展开追车，最终冲进动迁区后无处可逃。他隐藏摩托并换装，快要离开时被贾鹏叫住，彻底暴露在警方面前。
荀密赶到动迁区哨卡。周冠男穿小丑服接受检查，现场表演小丑玩火化解危机，还拉开衣服露出烧伤疤痕回应质疑，严密于心不忍，孙荀心存怀疑，却因没有证据放行。调查一夜无果。次日，荀密在动迁区发现遗弃的摩托车，且此处正是弧光KTV拆迁地后门。二人进入废墟，找到关键密室，室内有陈旧血迹与女人头发。警方还在墙另一侧发现烧毁的鞋面。周冠男回到出租屋，烧毁作案时的衣物与鞋子，对“刘江之死”充满怀疑。
西峰山的遛狗人发现尸块。李珍鉴定出桥下焚烧死者不是刘江。西峰山尸块腐烂严重，还发现两条右胳膊，女尸手部美甲成关键线索。严密推测刘江偷换尸体假死脱身。警方通过美甲找到死者潘淑萍，发现另一位死者是吕伟。严密推断刘江买票出逃，孙荀从黄牛处证实猜测。严密判断他会因牵挂女儿联系家人。同时，弧光密室DNA检测出乔思思痕迹，还发现关静的“肥皂水琥珀”血样，查出当年她失踪案的报案人：李婷，恰是代取关键相机的人。
王强杀害潘、吕二人后抛尸，与周冠男擦肩而过。荀密找到李婷，对方称关静因先天性心脏病去世，自己帮办后事，还承认代张彪取过相机。但警方查医院记录发现与李婷供述不符，证实李婷撒谎。张文东到花店威胁李婷。警方查到潘淑萍租住处，发现家中的作案痕迹，还找到带血的“强子超市”名片。众人前往超市，监控显示其凌晨运输可疑物品。林骁奉命追查王强车辆。周冠男则在出租屋擦掉刘江照片旁的问号，似已明晰其行踪。
