民國時期，國內最大的軍工廠產生離奇命案，死者被“幽靈子彈”所殺——犯罪現場找不到彈頭。一時之間，疑云密布，人心惶惶，此案號稱民國第一奇案。此案交由警局內負責管理檔案的政務警察松東路調查（劉青云 飾），擔任文職的松東路既不會拳腳工夫也不懂如何開槍，卻思想縝密，對破疑難雜 案有獨特方法。一心為民除害的熱血警探郭追（謝霆鋒 飾）不容于警局貪污腐敗氛圍，聯手松東路調查此離奇命案。如何開槍不消子彈？如何讓子彈在穿入肉體的時候消失？松東路和郭追在槍和子彈上做了各類各樣的研究，包孕向豬身體發射鹽子彈、冰子彈等等，卻沒有任何滿意的結果。隨著案情調查深入，兩位警探抽絲剝繭地發明恐怖陰森的殺人密室和離奇的造彈裝置，其詭異程度讓經驗雄厚的松東路也瞠目結舌。就在“幽靈子彈殺人”真相揭開之際，松東路、郭追卻連續不斷遭人追殺，警察小五（井柏然 飾）在開槍掩護松東路、郭追逃亡之時慘死。結案期限迫在眉睫，算命姑娘小云雀（楊冪 飾）不經意間透露出“幽靈子彈”驚天秘密……