在民国时期，一桩离奇的命案震撼了全国：在国内最大的兵工厂中，一名死者被所谓的“幽灵子弹”击中——现场却找不到任何弹头。这桩案件迅速成为民国时期最神秘的案件之一，疑点重重，人人惊恐不安。警方将案件交由擅长档案管理的政务警察老包（刘青云饰）负责调查。他虽然不擅长武术，也不熟悉射击，但凭借其缜密的思维，总能以独特的方法破解谜团。而充满正义感、对警局腐败现象深恶痛疾的热血警探郭追（谢霆锋饰），则主动与老包结成搭档调查这一离奇命案。他们思考：如何实现射击但却不使用真实子弹？子弹如何在击中目标后无影无踪？老包与郭追对枪械和子弹展开多种实验，包括测试使用盐弹和冰弹射击猪体等，但都未能得到满意的结果。随着调查的深入，他们如抽丝剥茧般揭开了杀人密室和神秘弹药制造装置的恐怖真相，这离奇程度甚至让老包都感到震惊。在案件真相即将大白之时，老包与郭追频频受到追杀，年轻警员小五（井柏然饰）在保护他们撤退时不幸牺牲。随着案件期限的临近，算命女子小云雀（杨幂饰）无意中透露出“幽灵子弹”的惊天秘密，不过，这个“惊天秘密”究竟是个陷阱还是关键线索，二人决定不惜代价查明真相！最后，真相终于水落石出，但郭追和老包却不得不面对命运的严酷玩笑：在生死关头，他们只有一人能够幸存……