1969年7月4日，美國獨立日的夜晚。加利福尼亞州瓦列霍市的一處情人小道上，一對年輕戀人正坐在車裡享受夜色。一輛車緩緩停在他們旁邊，車燈滅了。片刻之後，槍聲劃破了寂靜——男子身中數槍，女子當場死亡。
這只是開始。
來信了
一個月後，舊金山三家報社同時收到了神秘來信。寄信人自稱「黃道帶」（Zodiac），信中附有一套用密碼符號書寫的加密資訊。他在信中聲稱自己就是瓦列霍槍擊案的兇手，並威脅說：如果報社不在頭版刊登他的密碼信，他將在週末展開一場大屠殺。
《舊金山紀事報》的編輯部裡，政治漫畫家羅伯特·格雷史密斯（傑克·葛倫霍 飾）被這些密碼深深吸引了。他不是記者，不是警探，只是一個畫漫畫的人，但他對解謎有著近乎本能的熱情。他的同事、犯罪記者保羅·埃弗里（小勞勃·道尼 飾）則對這個案子嗤之以鼻——至少一開始是這樣。
與此同時，舊金山警探戴夫·托斯基（馬克·魯法洛 飾）和他的搭檔比爾·阿姆斯壯被分配負責調查此案。
殺戮升級
黃道帶殺手並沒有停手。1969年9月，他在伯耶薩湖畔用刀刺傷了一對野餐的情侶，女方不治身亡。兇手在作案後甚至在受害者的車門上留下了他標誌性的十字圓圈符號和作案日期。兩週後，計程車司機保羅·斯泰恩在舊金山普雷西迪奧高地區被槍殺。黃道帶隨後將斯泰恩血跡斑斑的襯衫碎片寄給了報社，作為他犯罪的證明。
黃道帶的來信越來越頻繁，語氣越來越囂張。他嘲笑警方的無能，聲稱已經殺了遠超官方統計的人數。他甚至在一封信中威脅要襲擊校車上的兒童。整個舊金山灣區陷入了恐慌。
嫌疑人：阿瑟·利·艾倫
1971年，調查終於有了一個重要突破。一個名叫阿瑟·利·艾倫的男人進入了警方的視野。艾倫手腕上戴著一塊「十二宮」牌手錶，錶盤上的標誌與殺手信件中使用的十字圓圈符號幾乎一模一樣。他有犯罪前科，曾因猥褻兒童入獄。更關鍵的是，他與多起案件的時間地點都有交集。
然而，筆跡鑑定專家斷定，黃道帶來信不是艾倫寫的。儘管艾倫是雙利手（既能用左手也能用右手寫字），這一結論還是讓調查陷入了僵局。指紋也對不上。證據始終是間接的、暗示性的，卻永遠不夠形成定罪。
吞噬
這樁案件開始吞噬追查它的每一個人。
埃弗里最先崩潰。在收到黃道帶的恐嚇信後，他變得越來越偏執，開始酗酒和吸毒，最終離開了報社，人生一路下墜。托斯基探長雖然外表沉穩，內心卻被案件折磨得日漸憔悴。他無法觀看由此案改編的電影《緊急追捕令》。他的搭檔阿姆斯壯申請了調崗，離開了兇殺組。更糟糕的是，托斯基後來被指控偽造了一封黃道帶來信，遭到了降職處分。
唯一沒有放棄的人是格雷史密斯。
執念
格雷史密斯的痴迷已經超越了正常人的範疇。他丟了工作。他的妻子帶著孩子離開了他。他的公寓裡堆滿了案件資料，牆上貼滿了剪報和時間線。他開始獨自走訪證人、翻閱檔案、追查每一條蛛絲馬跡。
他發現艾倫曾住在受害者達琳·費林家附近。他發現艾倫的生日與黃道帶在電話中透露給律師梅爾文·貝萊家傭人的資訊吻合。每一條新線索都指向艾倫，但每一條線索又都不夠成為鐵證。
在一個令人毛骨悚然的場景中，格雷史密斯獨自前往一個電影放映師的家中查證線索。地下室裡，那個男人的言行舉止越來越詭異，格雷史密斯突然意識到自己可能正面對著殺手本人。他倉皇逃離，驚魂未定。
對視
1983年，在一家五金店裡。格雷史密斯走進店門，迎面看到了在那裡打工的阿瑟·利·艾倫。兩個人四目相對，沉默無言。格雷史密斯看著這個他追查了十多年的男人，在那一刻，他內心確信——就是他。
格雷史密斯將自己的調查寫成了暢銷書。書出版後，當年的倖存者麥克·馬若在警方的照片牆上指認了艾倫就是當年襲擊他的人。
然而，正義終究沒有到來。1992年，阿瑟·利·艾倫因心臟病發作去世，警方始終沒有來得及對他提起正式指控。後來的 DNA 檢測結果與艾倫不匹配，但多個司法管轄區的調查人員拒絕以此為由排除他的嫌疑。
黃道帶殺手案至今懸而未決。