臺北。一個雨夜，一位知名企業家被發現死在自己的辦公室裡。死因是溺水——但辦公室裡沒有水。法醫在他的肺部發現了大量積液，彷彿他是在陸地上溺死的。更詭異的是，他的腦部組織中發現了一種罕見的黑色黴菌。
不久後，第二具屍體出現。一個腐敗的政客被發現凍死在自己家中——在一個三十多度的夏天。他的身體表面覆蓋著一層薄冰，腦部同樣發現了那種黑色黴菌。
臺北警方束手無策。
黃火土
黃火土（梁家輝飾）是臺北市刑事警察局的一名警官。兩年前，他因為揭發同僚貪汙腐敗而得罪了整個系統，被從重案組「發配」到了冷門的外事聯絡組，整天做些端茶倒水、接待外賓的閒差。他的妻子清芳（劉若英飾）在一家醫院做護士，兩人有一個年幼的女兒。家庭關係因為黃火土的事業低谷而變得緊張。
當這些離奇命案引起國際關注後，美國聯邦調查局應邀派出了調查專家凱文·萊澈（大衛·摩斯飾）協助臺北警方。因為外事聯絡組的關係，黃火土被指派做凱文的聯絡人和搭檔。
凱文是個經驗豐富的探員，但也是個徹底的無神論者和理性主義者。他用FBI的科學方法分析案件：兇手有固定的模式，每個受害者的腦中都有同樣的黴菌，這種黴菌能引發強烈的幻覺——受害者在死前看到了不真實的東西，在幻覺的驅使下經歷了極端的痛苦死亡。
五行地獄
隨著調查深入，第三具屍體出現——一個道德敗壞的法官被發現死於內臟破裂，彷彿有人從體內將他的腸子拉了出來。
黃火土在查閱古籍後發現了一個令人不寒而慄的聯繫：這三種死法分別對應了道教傳說中的三種地獄——寒冰地獄、火坑地獄、抽腸地獄。傳說中還有另外兩種：刨心地獄和拔舌地獄。
根據道教經典記載，宋代有一個叫黃裳的道士修煉「五雷天心正法」，想要得道成仙。但成仙需要渡劫——必須經歷五種地獄的苦行。黃裳利用自己天生的「雙瞳」（瞳孔中有兩個瞳仁，被認為是能看到常人看不到之物的異能），找到五個作惡多端的「人魈」，將他們送入五種地獄作為自己的替身受刑，從而完成了渡劫，得道昇天。
兇手在重演這個儀式。
謝亞里
調查的線索指向了一個叫謝亞里的少女。她身患絕症，在一家道觀中接受治療。道觀的住持聲稱可以通過道教秘法為她續命。
黃火土和凱文追蹤到了道觀，發現了大量關於「五雷天心正法」的修煉記錄和那種黑色黴菌的培養設備。黴菌被故意植入受害者的腦中，引發幻覺，讓他們在極度恐懼中以對應地獄的方式死亡。
但真正的兇手不是道觀的住持。
謝亞里本人就是那個擁有「雙瞳」的人。她天生瞳孔異於常人，能夠感知到常人看不見的存在。為了活下去，她按照黃裳當年的方式，尋找五個罪大惡極的「人魈」，依次將他們送入五種地獄。她已經完成了三個，還差兩個就能「渡劫成仙」——在她的理解中，就是戰勝死亡。
第五種地獄
凱文始終不相信什麼道教成仙的說法。他堅持用科學解釋一切：這不過是一個精神失常的少女在利用致幻黴菌殺人。
但事情的發展超出了他的理解。
第四個受害者出現了。黃火土的妻子清芳在醫院裡遭到攻擊，險些成為第四個祭品。黃火土拼死將她救了出來。
然而，謝亞里找到了她的第四個和第五個人魈。凱文——這個自稱什麼都不信的無神論者——成了最後一個目標。拔舌地獄。凱文在經歷了黴菌引發的恐怖幻覺後，被發現死在現場，口吐鮮血，手中攥著自己的舌頭。
黃火土趕到時，一切都已結束。謝亞里完成了五種地獄的獻祭。當他衝進醫院想要找到她時，病房已經空了。謝亞里消失了——沒有人知道她去了哪裡，是死了，還是真的如傳說中那樣「成仙」了。
影片的最後一個鏡頭，黃火土站在空蕩蕩的病房裡，窗外的光照在他臉上。他不知道自己該相信什麼。理性的世界給不出答案，但超自然的解釋又讓人無法接受。也許有些事情，就是超越了人類理解的邊界。