民国时期，国内最大的兵工厂发生离奇命案，死者被“幽灵子弹”所杀——犯罪现场找不到弹头一时之间，疑云密布，人心惶惶，此案堪称民国第一奇案此案交由警局内负责管理档案的政务警察老包调查（刘青云饰演），担任文职的老包既不会拳脚功夫，也不懂如何开枪，却思想缜密，对破疑难杂案有独特方式。一心为民除害的热血警探郭追（谢霆锋饰演）不容于警局贪污腐败氛围，联手老包调查此离奇命案。如何开枪不用子弹？如何让子弹在穿入肉体的时候消失？老包和郭追在枪和子弹上做了各种各样的研究，包括向猪身体发射盐子弹、冰子弹等等，却没有任何满意的结果。随着案情调查深入，两位警探抽丝剥茧式发现恐怖阴森的杀人密室和离奇的造弹装置，其诡异程度让经验丰富的老包也瞠目结舌。就在“幽灵子弹杀人”真相揭开之际，老包、郭追却接二连三遭人追杀，警察小五（井柏然饰演）在开枪掩护老包、郭追逃亡之时惨死。结案期限迫在眉睫，算命姑娘小云雀（杨幂饰演）不经意间透露出“幽灵子弹”惊天秘密，两人不知这个“惊天秘密”是圈套还是破案线索，却发誓要以命相搏！案情终于水落石出，郭追和老包却发现各自的命运被无情捉弄，两人只能活一个的选择摆在他们面前……
