在民国时代，国内最大的兵工厂爆发了一宗神秘案件。案件中的死者被认为是死于“幽灵子弹”之手，因为在现场搜寻不到弹头，此案一时之间充满悬念，民众惶恐，被称作民国最离奇的案件之一。负责档案整理的政务警察老包（刘青云饰）接手调查，尽管他不擅长武术与射击，但凭借其敏锐的思维能力，他往往能够破解各种复杂的案件。热心的警探郭追（谢霆锋饰），因不满警局内部的腐败，与老包合作，深入调查这一离奇案子。 究竟如何不利用常规子弹进行射击？子弹如何能在击中人体后消失无踪？老包和郭追展开了一系列枪支和子弹的实验研究，比如用盐弹和冰弹射击猪体等，却始终没能得到满意的解释。随着调查的深入，两位警探逐步揭露了阴森恐怖的密室和诡异的弹药制造机制，这离奇的程度使得见多识广的老包也震惊不已。随着“幽灵子弹杀人”之谜渐渐被揭开，接踵而来的追杀威胁向老包和郭追袭来。在警员小五（井柏然饰）开枪保护他们逃跑时，意外殉职。 案件结案的时限迫在眉睫，占卜师小云雀（杨幂饰）无心中透露了关于“幽灵子弹”的一个巨大秘密，两位探员无法确认这是否是一个陷阱或是重要的线索，但他们决定为此拼命一搏！最终，随着案情渐渐明朗，郭追和老包意识到各自的命运被无情地摆布，只能在生死关头做出最终的选择……