1997年的秋天
1997年，東北樺林鋼鐵廠。這是一座靠工廠吃飯的城市，幾萬人的生活都綁在那幾根菸囪上。火車司機王響是廠裡的骨幹，開著蒸汽機車拉煤運貨，日子過得踏實。他有一個正在上大學的兒子王陽，寫詩、談戀愛，前途一片光明。
然後下崗潮來了。工廠開始裁員，王響的世界開始動搖。
與此同時，樺林發生了一起駭人聽聞的碎屍案——河裡打撈出一具被肢解的女屍，身份不明。刑警支隊隊長馬德勝帶隊調查，王響的好兄弟、廠裡的保衛科幹事龔彪也被捲了進來。
在調查過程中，所有線索都指向了一個神秘的女孩——沈墨。她是樺林港務局局長盧文仲的養女，美麗、安靜、聰明，但眼神裡藏著深不見底的東西。王陽愛上了她。
然後王陽死了。
碎屍案沒有破。王陽的死因成謎。沈墨消失了。1997年的秋天，帶著所有的答案，被埋進了時間深處。
2016年的冬天
十八年後。王響已經是一個開計程車的老頭了，頭髮白了，背也駝了，但他一直沒有放下兒子的死。他固執地相信王陽不是自殺，一直在暗中蒐集線索。
龔彪成了一個窩囊的中年人，二婚的老婆嫌他沒出息，他自己也覺得人生沒什麼意思了。馬德勝從刑警隊退了下來，記憶力開始衰退，但那個沒破的碎屍案像一根刺一樣紮在他心裡。
一起看似普通的套牌車撞車事故，把三個老頭重新拉到了一起。王響發現這起事故和十八年前的碎屍案之間存在隱秘的聯繫。他說服了龔彪和馬德勝，三個人決定自己動手，把當年的真相挖出來。
沈墨的秘密
隨著調查的深入，1997年的真相逐漸浮出水面。
沈墨並不是盧文仲的親生女兒。她的身世極其悲慘——從小被盧文仲收養，但這個所謂的「養父」對她做了不可饒恕的事。沈墨一直在隱忍，等待復仇的機會。
碎屍案的受害者不是沈墨本人，而是一個叫殷紅的女人。沈墨通過碎屍來偽造自己的死亡，掩蓋受害者的真實身份，同時讓自己從盧文仲的控制下徹底消失。
而王陽——王響引以為傲的兒子——因為深愛沈墨，被捲入了這場復仇計劃。他幫助沈墨，甚至為她獻出了生命。沈墨的同伴傅衛軍負責拋屍，而沈墨利用了王陽對她的愛，在事成之後騙他說如果自己出事，就是傅衛軍幹的。
王陽最終死在了那個秋天。到底是自殺還是他殺，答案比王響想像的更加殘酷。
龔彪
在三人重新追查真相的過程中，龔彪意外刮了一張彩票——中了大獎。這個窩囊了一輩子的男人終於露出了久違的笑容。他激動地開車衝向王響報喜，手裡攥著那張彩票。
然後他的車一頭撞上了迎面駛來的大貨車。
龔彪死了，彩票飄落在血泊中。這個可憐又可愛的男人，一輩子都在等一個轉機，終於等到了，卻沒來得及兌現。
真相大白
龔彪的死讓王響更加執著。他和馬德勝最終找到了隱藏了十八年的沈墨。沈墨被捕，碎屍案告破，王陽之死的真相也終於水落石出。
馬德勝因為長期的記憶衰退，在案件即將收尾時已經記不清太多細節。但他完成了自己作為警察的最後一個使命。
王響用兒子王陽當年織的那件毛衣救了落水的沈墨——這件毛衣他保存了十八年，本以為是兒子留給他的最後溫暖，沒想到最終成了抓住真兇的關鍵。
往前看，別回頭
案子破了，但王響失去的一切都回不來了。兒子回不來，龔彪回不來，那個工廠林立、火車轟鳴的年代也回不來了。
故事的最後，鏡頭回到了1997年的秋天。年輕的王響開著火車駛過金黃的玉米地，陽光灑在他的臉上。站臺上有人朝他喊了一句話，他探出頭，大聲回應。
那句話是：「往前看，別回頭。」
這是一句說給王響的話，也是說給所有被過去困住的人的話。漫長的季節終會過去，重要的不是你失去了什麼，而是你還願不願意繼續往前走。