民国时期，国内最大的兵工厂发生离奇命案，死者被“幽灵子弹”所杀——犯罪现场找不到弹头。一时之间，疑云密布，人心惶惶，此案堪称民国第一奇案。此案交由警局内负责管理档案的政务警察松东路调查（刘青云 饰），担任文职的松东路既不会拳脚功夫也不懂如何开枪，却思想缜密，对破疑难杂 案有独特方法。一心为民除害的热血警探郭追（谢霆锋 饰）不容于警局贪污腐败氛围，联手松东路调查此离奇命案。
如何开枪不用子弹？如何让子弹在穿入肉体的时候消失？松东路和郭追在枪和子弹上做了各种各样的研究，包括向猪身体发射盐子弹、冰子弹等等，却没有任何满意的结果。随着案情调查深入，两位警探抽丝剥茧地发现恐怖阴森的杀人密室和离奇的造弹装置，其诡异程度让经验丰富的松东路也瞠目结舌。就在“幽灵子弹杀人”真相揭开之际，松东路、郭追却接二连三遭人追杀，警察小五（井柏然 饰）在开枪掩护松东路、郭追逃亡之时惨死。结案期限迫在眉睫，算命姑娘小云雀（杨幂 饰）不经意间透露出“幽灵子弹”惊天秘密……