民國時期，國內最大的兵工廠發生離奇命案，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，此案堪稱民國第一奇案。此案交由警局內負責管理檔案的政務警察老包調查（劉青云飾演），擔任文職的老包既不會拳腳功夫，也不懂如何開槍，卻思想縝密，對破疑難雜案有獨特方式。一心為民除害的熱血警探郭追（謝霆鋒飾演）不容于警局貪污腐敗氛圍，聯手老包調查此離奇命案。如何開槍不用子彈？如何讓子彈在穿入肉體的時候消失？老包和郭追在槍和子彈上做了各種各樣的研究，包括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，兩位警探抽絲剝繭式發現恐怖陰森的殺人密室和離奇的造彈裝置，其詭異程度讓經驗豐富的老包也瞠目結舌。就在“幽靈子彈殺人”真相揭開之際，老包、郭追卻接二連三遭人追殺，警察小五（井柏然飾演）在開槍掩【yǎn】護老包、郭追逃亡之時慘死。結案期限迫在眉睫，算命姑娘小云雀（楊冪飾演）不經意間透露出“幽靈子彈”驚天秘密，兩人不知這個“驚天秘密”是圈套還是破案線索，卻發誓要以命相搏！案情終于水落石出，郭追和老包卻發現各自的命運被無情捉弄，兩人只能活一個的選擇擺在他們面前……