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一场农村婚礼上，四名戴脸谱面具的劫匪持枪抢劫，掳走一个五六岁男孩后逃窜。当地刑警刘华、季洁、江汉等人在老郑的带领下冒雨追捕。 警方排查间，省公安厅刑侦大队副队长曾克强恰巧来此地执行其他任务，意外在一家金银加工店遇到前来销赃的两名劫匪，季洁伪装顾客进店侦查，大曾害怕劫匪伤害季洁，急中生智将季洁轰走。季洁怀疑店内有异，调集警力埋伏。大曾跟踪劫匪到理发店后，将自己的外套扔在门口作为信号。
季洁发现大曾留下的信号，带队抓捕，抓捕过程中章海强开枪，江汉果断还击将其击伤，范勇被制服，但另外两名劫匪和王虎、程四儿在村里被刘华发现。另一边，刘华伪装成收废品的侦查，触发了劫匪设置的诡雷，壮烈牺牲。 刘华牺牲后大曾到刑警队报到，原来大曾曾在刘华牺牲前与其见面，大曾怀疑刘华的死与东安赵氏集团有关，而在大曾调到东安的当晚，果然收到了赵氏集团少东家赵彬的联系，意欲腐化大曾。
发生无头尸案，死者申红星是算命先生。大曾、季洁等人勘查现场，大曾通过一碗扣在一起的米饭推断当晚有人与死者共进晚餐，又从枕头里发现女性内衣，推测是情杀。审问徐裁缝夫妇得知，徐妻刘招娣与申红星有多年私情，案发当晚二人撞见尸体后吓晕，醒来收拾了现场就逃走，有不在场证明，案件陷入僵局。
无头尸案陷入僵局，大曾独自重返申红星家。他注意到死者窗户上贴满驱邪符咒，窗外远处有一座阁楼，楼顶悬挂的八卦镜正对申红星家窗口。大曾意识到这并非普通装饰，而是针对性的“风水斗法”，即凶手很可能是与申红星相克的同行。经查，阁楼主人周山左也是算命先生，且申红星的火命恰好克制周山左的水命。周山左被带回审讯，却装神弄鬼、撒泼打滚，拒不配合。
周山左供认自己因申红星抢走生意、命格相克，故而行凶，事后将头颅卖给邻村一对迷信老夫妻，说是能治儿子怪病的偏方。警方在菜地卷心菜中找到头颅，带走老夫妻。 此时，赵氏集团建筑工地爆炸，经理赵鹏的手下胡志彪重伤。石灰厂爆炸案现场一片狼藉，大曾在废墟中捡到一颗女式手串珠子。赵彬亲临现场，季洁看在眼里，对赵彬的嚣张态度心生警惕。警方排查发现，重伤的胡志彪与赵鹏的情妇许娇有私情，二人原本准备偷钱私奔。
九十年代初，东安市，重案六组成立前夕。省厅刑警曾克强因专案调入地方重案组，接手牺牲的战友刘华生前未竟的调查。大曾背负误解，一面融入新团队，一面暗中追查真相。东安市的犯罪势力暗流涌动，赵氏集团少东家赵彬以采砂船走私起家，贿赂官员，暴力垄断，为掩盖罪行接连杀害知情人。大曾以卧底姿态周旋，季洁以正面突破反制对方挑衅。在与赵氏集团周旋的过程中，六组成员接连并肩破获了连环爆炸复仇案，河道碎尸烹煮案，矿难骗保诈尸案，仙人跳杀人案，幽灵船惨案，神秘美女公路劫车案等奇案。
警方接到报警，东安二小附近居民楼发现疑似炸弹。大曾和老郑逐户排查，在一个泡菜坛子里找到定时炸弹，警队众人合力拆除，好在最终虚惊一场，那不过是一名疑心丈夫出轨的女子为“抓现行”而伪造的闹剧。 留置室内，赵鹏带着儿子耍横叫嚣要回家，大曾顺势设局：他穿上赵鹏的外套，驾驶赵鹏的轿车驶出警队。林文勇果然尾随，持刀上车，身上绑着炸弹。大曾将车缓缓开至江边，四面狙击手已就位。
大曾没有硬来，而是轻声劝说林文勇，表示胡志彪已经活了下来，你还有老母亲在家盼归。林文勇捂脸痛哭，卸下炸弹，束手就擒。 赵鹏在审讯中交代了向官员行贿的事实，赵彬却带人持锦旗到刑警队挑衅，老郑代表警队警告赵彬，表示整个东安刑侦大队七十九个人，会死死盯住你们。 深夜，大曾独自在办案室给刚做完手术的师父打电话，强颜欢笑地隐瞒了刘华牺牲的消息。队里聚餐时，老郑郑重地将撰写刘华悼词的任务交给了大曾。
城郊河边的泥沙中，陆续发现多块被烹煮过的尸块，每块都用青砖绑着沉入水底。季洁耳边回响着师父刘华生前的教诲：“破案就是拼拼图，一边是死者信息链，一边是凶手行为链，两条链对上，案子就破了。” 她在黑板上画出三条路径：尸块切割偏大，说明凶手有汽车或渔船等运输工具；抛尸点选在水系交汇处，证明此人熟悉本地水文；烹煮再沉尸的手法连贯缜密，具备反侦查经验——凶手的画像逐渐清晰：心思缜密、有前科、与死者关系匪浅。
具有作案条件的三人浮出水面：船老大黄德光、村干部孟伟、采砂厂经理杨建东。大曾认出，杨建东正是三年前赵氏采砂船枪击案的关键人物，当年船上发生过火并，外号“老八”的船员程文亮离奇失踪。法医通过头骨还原死者面容，特征指向平湖省，与程文亮的籍贯完全吻合。 警方立即前往杨建东住处实施抓捕。大曾一路追踪杨建东，两人扭打在一起。大曾眼看就要制服杨建东，一辆货车突然从路口冲出，将杨建东撞飞，随即疾驰而去。
大曾向领导秦双旗汇报，推测刘华账户上的八万块钱很可能是赵氏故意留痕，既是拉拢也是威胁。季洁表示愿意配合调查赵氏，正式跟大曾申请加入专案组。 与此同时，矿洞发生爆炸，矿工“张伟”遇难。警方勘查发现：死者面部被毁，鼻腔内却没有爆炸烟尘，安全帽完好无损，即爆炸前他已经死了。季洁、江汉、大曾分头赴周边矿区调查，竟发现三个不同矿上都出过名叫“张伟”的遇难者，而前来认领赔偿的妻子，是同一个女人，刘丽萍。
刘丽萍通过谈对象诱骗单身矿工，用死去丈夫张伟的身份证替换对方身份，再伙同几人下井杀人、伪装矿难，向矿主索要赔偿。陈勇是真心想跟她结婚的人，却被她同伙杀害。刘丽萍在审讯中最终悔恨落泪。 季洁看到赵彬的手下送大曾，怀疑大曾收黑钱，在砖厂与大曾对峙。大曾解释那八万块钱是刘华的，且已上交纪委，他接近赵彬是为查案，季洁最终理解。 医院里，护士白羚热心帮助季洁指路，季洁却发现一名举止紧张的男子。
医院走廊里，男子于昌海劫持护士白羚，意图索要财物。季洁迅速赶到，于昌海哽咽着说出实情：四岁的儿子被樱桃核卡住气管，引发脑积水，一个月要五万治疗费，季洁妥善处理，于昌海伏法。 此时医院报案称有人被捅伤，伤者孙范拒不配合，只说是自己磕的。实习医学生白羚仔细观察伤口边缘整齐、呈V型锯齿状，且不止一处，果断报警。不久，河边发现一具男尸，身上伤口形状与孙范如出一辙。
法医何燕华确认，死者沈龙江身上的伤口是由小铲子类工具造成，创口有挤压痕迹，与孙范的伤情高度吻合。孙范交代，他在“夜来香舞厅”认识了一个女人，随后被对方“仙人跳”，大曾、季洁、江汉三人当即乔装前往。 大曾注意到一名穿紧身红裙的女人三人一路跟踪至一栋老式居民楼下，撞见周玲玲、杨勇辉欲图“仙人跳”的犯罪现场，杨勇辉手上那把花铲上的锈迹与创口一一对应，与两名受害者的伤口完全吻合。
杨勇辉交代了犯罪经过。他因盗窃多次入狱，出狱后与周玲玲结婚，发现妻子作风不正，却从中看到“商机”，与妻子约定由周玲玲勾引男人回家，杨勇辉再以丈夫身份闯入敲诈钱财。最初几次得手，直到沈龙江识破骗局并挑衅，杨勇辉恼羞成怒用花铲将其捅死，之后又有一名受害者孙范侥幸逃脱报警。 码头发生命案，渔船“东荣渔33号”上船主金建华和船务赵大勇被杀，船舱有被撬痕迹，现场发现第三人的血迹和一个卡通发卡。
警方调查发现，一周前被辞退的渔工高航有重大嫌疑，但案发当天他一直在码头下棋，有不在场证明。 同时，警方在河道下游发现一名六岁女童尸体，经确认是金建华的独生女金小雅，死因为机械性窒息，双眼被人为摘除。 案件陷入僵局。老郑要求聚焦码头周边，不放过任何角落。大曾通过走访发现，码头附近有一群半大小子，父母常年在外打工，平时在码头混迹、帮工。他直觉这个容易被忽略的群体可能与案件有关。
江汉在录像厅发现，高航曾带一个叫余昊成的少年多次看恐怖片，其中一部电影的情节是“人死前眼睛会留存最后看到的画面”。江汉联想到凶手挖眼的行为，怀疑高航模仿电影作案，而余昊成可能是他的帮手。 警方决定以余昊成为突破口，先不惊动高航。大曾在码头继续与孩子们周旋，同时调取了渔船出入港记录，发现余昊成案发当天租船出海钓鱼，但加油量与航行距离不符，存在说谎嫌疑。
余昊成交代了与高航合谋的犯罪过程。高航起初拒不认罪，但技术员抽取高航血液和头发后，高航得知DNA技术可以锁定证据，心理防线崩溃，最终认罪，交代了全部作案经过。 队里因季洁、江汉冲动行为受到批评，但集体功被批准，市局正式宣布成立重案六组。老郑展示队旗，众人激动合影，季洁举着刘华的警号。 与此同时，冯科长因拒绝在河道开发项目中偏袒赵氏集团，被赵彬杀害，并指使手下将尸体拉到采砂工地炉中烧毁。
而大曾去医院看望手术后的师父田卫华，向师父表示要彻底铲除赵氏集团。 另一边，江汉接到报案，有村民称听见隔壁在杀人。村民王宝泉家中发生命案，一名叫陈力的男子受伤倒地，王宝泉称陈力半夜潜入家中袭击自己，二人搏斗后陈力受伤，王宝泉妻子徐英受惊吓逃跑至今未归。 警方调查发现王宝泉家的狗上周突然死亡，经解剖狗是吃了徐英做的食物中毒而死。王宝泉当晚吃的饺子里被检出大量安眠药。
大曾在院门口发现倒扣的饺子盆，怀疑有人故意倾倒。季洁走访发现陈力与一名女子在照相馆拍过合影，经辨认女子正是徐英。 警方判断这是一起合谋杀夫案：徐英与陈力有私情，多次试图毒害王宝泉未果，案发当晚陈力潜入王家准备行凶，却被王宝泉反制受伤。徐英见事败逃跑，警方赶往现场。 警方在坟地抓获陈力和徐英。徐英交代了多次试图毒杀丈夫王宝泉未果的经过。
