民國時期，中國最大的兵工廠發生了壹起離奇的殺人案，死者是被“幽靈子彈”殺死的——案發現場沒有發現子彈。有壹段時間，質疑聲不斷聚集，人們憂心忡忡。此案被稱為民國第壹疑案。此案是由派出所負責檔案管理的政府警察宋東祿(劉青雲)調查的。身為平民的宋東祿壹絲不茍，對疑難復雜的案件有獨特的解決方法。壹心為民除害的熱血警探郭追(謝霆鋒飾)無法容忍警局內的腐敗風氣，與宋冬路聯手調查這起離奇的命案。沒有子彈怎麽開槍？如何讓子彈穿入身體後消失？宋冬路和郭追對槍和子彈做了各種各樣的研究，包括向豬發射鹽子彈和冰子彈，但沒有令人滿意的結果。隨著案件的深入調查，兩位偵探發現了恐怖陰森的殺人密室和離奇的炸彈制造裝置，這讓經驗豐富的宋冬路目瞪口呆。就在“鬼子彈殺人”真相大白的時候，宋冬路和郭追相繼被追擊，警察小武(景伯冉飾)在開槍掩護宋冬路和郭追逃跑時被擊斃。結案的最後期限迫在眉睫，算命女孩小玉拉克(楊冪飾)無意中透露了“幽靈子彈”令人震驚的秘密