在省市两级领导为荣归故里的军区丁司令员（田成仁 饰）筹备欢迎宴会前夕，松江市涉及东钢股票案件的核心知情人、市委张秘书于一家宾馆的阁楼内遭遇枪击身亡。经现场勘查，未能获取任何具备价值的线索，该案随即被确立为代号“12.18”的重大案件。负责侦查工作的警员方雨林(任程伟 饰)（任程伟 饰）调阅了事发当日所有在场记者拍摄的照片与录像资料，经过分析，初步认为这起谋杀案可能与省、市层面的某些重要领导干部存在关联。
方雨林与丁司令员的女儿丁洁(曹颖 饰)（曹颖 饰）自幼相识，可谓青梅竹马。然而，双方家庭背景与社会地位的显著差异，使得方雨林内心产生自卑情绪，始终缺乏勇气推进两人之间的关系。丁洁曾是副市长周密(何政军 饰)（何政军 饰）的学生，二人在日常交往中，情感逐渐滋生。与此同时，东钢的干部廖红宇(闫淑琴 饰)（闫淑琴 饰）因举报行为遭受打击报复，遂寻求同乡周密协助其调动工作岗位。经由阎秘书（于桐伟饰）引荐，周密结识了在本市颇具影响力的企业家、九天集团董事长冯祥龙(曹力 饰)（曹力 饰），二人建立起友谊。周密顺势将廖红宇的工作关系调动至冯祥龙麾下。
“12.18”大案的侦破工作因关键照片模糊难以辨认而陷入僵局，进展缓慢。方雨林在周密的家乡调查时，找到了此前作伪证后失踪的勤杂工李富贵（杨大为 饰），并进一步查明阎秘书亦是周密从其双沟老家提拔任用的干部。基于这些发现，方雨林怀疑“12.18”大案很可能系周密所为，并将自己的推断向局里进行了汇报。就在汇报当晚，他遭遇一辆警车的蓄意追击，历经险境方才侥幸逃生。
廖红宇被安排至九天集团下属的橡树湾仓储基地后，才发现该处价值五千万元的国有资产，已被冯祥龙以区区五百元的价格出售给一名假冒的港商。由省里派驻的工作组表面上进行调查，实则暗中进行庇护，此举最终激怒了基地工人，导致他们集体进城静坐请愿，从而引发了备受关注的“橡树湾事件”。省市领导责令周密与冯祥龙进行谈话。谈话中，冯祥龙暗示，自己的行为正是遵照省反腐败领导小组组长、顾副书记（王早来 饰）的指示行事。
为了获取确凿证据，廖红宇秘密复印了九天集团的部分账目，掌握了冯祥龙涉嫌犯罪的事实，并以“民心”为笔名向省级部门递交了举报材料。然而，手眼通天的冯祥龙竟然获取了举报信内容。当晚，廖红宇便遭人袭击，身中数刀，被紧急送往医院抢救。冯祥龙并未就此罢手，又出资收买苏大夫（马东饰），企图在医院中对廖红宇进一步加害。所幸苏大夫心存善念，暗中保护了廖红宇，并协助她前往北京进行告状。
方雨林得知丁洁与周密交往日益密切后，内心十分焦虑。他数次试图劝阻丁洁，却因无法明确解释其中复杂缘由，导致误会加深，事态反而愈发复杂。直至某日，丁洁偶然发现周密竟然与项书记那位行为不端的公子顾三军（侯天来 饰）进行秘密会谈，方才隐约体会到方雨林此前劝告背后可能蕴含的深意。她主动找到方雨林，倾诉了心中积聚的诸多猜疑与不安的感受，并告知方雨林，周密家中藏有一本带有孔洞的字典。
在廖红宇持续告状的努力下，中央纪律检查委员会责成省纪律检查委员会对九天集团的案件重新展开调查。冯祥龙最终因贪污受贿罪名被逮捕。此时，距离周密计划出国考察仅剩一天时间。公安干警们深知，一旦这位“12.18”大案的重要嫌疑人顺利出境将意味着什么，但苦于没有确凿证据以获得上级的批准采取强制措施。
方雨林联想到丁洁提及的那本带洞字典，推测孔洞可能由枪击造成，于是请求丁洁设法取出那本字典。丁洁赶往周密家中，不料被周密察觉并捆绑控制。周密本人则迅速赶往机场。负责执行监控任务的公安人员及时行动，救出了丁洁。周密的罪行由此败露。经省委批准，公安干警在飞机起飞前于机场将周密逮捕。周密最终供认了实施“12.18”大案的杀人动机与犯罪全过程。