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，疑雲密布，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松東路調查（劉青雲 飾），擔任文職的松東路既不會拳腳功夫也不懂如何開槍，卻思想縝密，對破疑難雜 案有獨特方法。一心爲民除害的熱血警探郭追（謝霆鋒 飾）不容於警局貪汙腐敗氛圍，聯手鬆東路調查此離奇命案。
如何開槍不用子彈？如何讓子彈在穿入肉體的時候消失？松東路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，兩位警探抽絲剝繭地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松東路也瞠目結舌。就在「幽靈子彈殺人」真相揭開之際，松東路、郭追卻接二連三遭人追殺，警察小五（井柏然 飾）在開槍掩護松東路、郭追逃亡之時慘死。結案期限迫在眉睫，算命姑娘小雲雀（楊冪 飾）不經意間透露出「幽靈子彈」驚天祕密……