20世纪30年代初，上海法租界，一场打斗打破了夜晚街上的安静，巡捕房门口出现一只死人的手，尸体被吊在河边的树上，法医赶快现场，巡捕房探长刘梵希来到现场后发表看法，他是华人探长罗成的徒弟。刘梵希叫醒师傅后一起去吃饭，罗成让他吃面时不要发出声响，罗成的女儿罗珊珊留学日本，刘梵杀将现场情况说给罗成。

歌星郑晓婉在大上海歌舞厅的表演得到一阵掌声，她拒绝了商会副会长齐先生的约会。郑晓婉出门后被人绑架上车，齐先生欲将她强暴，等她第二天醒来时发现满床都是血，齐先生已经死亡，范德威来到凶案现场，罗成让刘梵希对长官尊重一些。罗成向刘梵希问起对两个断手案的看法，刘梵希认为这个案子根本没有结束，第三只断手又被送到法捕房，外面各种传闻，他们面临前所未有的舆论压力，破案者可以被升职，十天内不能破案罗成和范德威将被惩罚，这个凶手也是他们十年来最难办的一个。

罗成根据那三只手做出分析，他带着刘梵希和许衡来到巨福路纺织厂，罗成让他俩守在门口，他在巨福纺织厂见到杀手陈欣，陈欣对罗成也是十分敬佩，两人在纺织厂打斗起来，陈欣不是罗成的对手，他扔了飞镖后逃走，刘梵希和许衡没能拦住他。法华镇的林子里出现又一具断手的尸体，罗成收到消息后赶往现场，他刚一进去就被人围起来，罗成被人暗中打了一枪，陈欣随后出现。

罗成的手下被收买，他又身中数刀后被陈欣杀死，引他出门的是人是许衡，许衡答应在老地方给陈欣送钱。罗成的尸首被人抛入河里，刘梵希梦到师傅被人杀害，他带着混沌去找罗成时没敲开房门。许衡拿到钱后准备按命令杀死陈欣灭口，陈欣被许衡出卖，他见到巡捕后明白了一切，陈欣儿子进门后也被巡捕用枪指住。刘梵希不相信师傅会和杀手同流合污，巡捕劝他以后说话小心点儿，罗成的失踪让罗成很生气。

刘梵希接替师傅职务晋升探长，范德威也成了法租界有史一来第一位华人督查，他在法国人面前竭力推荐刘梵希，刘梵希对许衡的失踪也有很多疑点，他坚信自己的师傅不是那样的人。警官罗珊珊杀死佐藤和他的手下，她接受警事厅的任何处罚，远藤去监狱看望她，这件事情让她声名远扬，罗珊珊知道日本法律的武器无法制裁佐藤，远藤认为她的做法欠缺考虑，不过他已经畅通好关系，日本警视厅让她离开，五年来罗珊珊都一直希望为父亲寻找真相，远藤给她写了推荐信，因上海后可以去法捕房工作。

罗珊珊坐船从日本回到上海，打开家门后空无一人，房间里的一切仍是那么熟悉，她回想起小时候和父亲下棋的情形。罗珊珊在家里打扫卫生，她看罗成曾在黑板上写的对案件的推理。罗珊珊在街上发现小偷后追赶过去，小偷四处逃窜，罗珊珊紧追不舍，小偷在刘梵希面前停下来说他被罗珊珊打了，刘梵希决断她来自日本，还替小偷开脱。

刘梵希让小偷交出偷的钱，罗珊珊还给失主后想带小偷去法捕房，失主不想再报警，但罗珊珊坚持要带小偷过去，刘梵希和罗珊珊现不得已交手，她的胸针被刘梵希摘下，小偷趁机溜走，罗珊珊失足险些从楼上摔下，刘梵希及时出手抱住她，罗珊珊生气之下没要胸针生气地离开。罗珊珊来到法捕房找范德威报道，她拿出远藤雄一的推荐信，总督查安排她参加考试，这也是巡捕房的规矩，罗珊珊通过考试。

罗珊珊被认命为法捕房的副探长，范德威带她去了办公室，她父亲罗成当年曾坐在那里，罗珊珊提出要看一下当年的卷宗时被范德威拒绝，范德威向她说起刘梵希和许衡。刘梵希在母亲照片前祭奠，他母亲和师傅在同一年离开他，刘梵希遇上罗珊珊让他想起师傅的女儿。罗珊珊夜里悄悄来到法捕房的档案室，打开房门后她寻找当年罗成事件的档案，当她打开档案柜时发现是空的，等离开时被巡捕冯二宝发现，冯二宝向她汇报说楼上有窗户被打开，他是刘梵希的助手。

妓女陈桃花来到罗珊珊的办公室找刘梵希还他落下的东西，罗珊珊让她赶快离开，陈桃花被询问后生气离开。罗珊珊在法捕房四处找刘梵希，她向冯二宝问起来时被拒绝，冯二宝替刘梵希解释起来，他还说起罗成。罗珊珊给远藤老师写信说明工作情况，她最大的心愿是挖掘父亲当年的死亡之迷，了解真相看业是任重道远。

罗珊珊找到吴法医，当他听到是罗成女儿时有些惊讶，她主要想了解当年断手案的细节，吴法医向她说起刘梵希了解的情况多一些。陈欣的儿子为父亲祭奠，他当年侥幸活了下来。孤儿院院长曾糟蹋过很多孤儿院的女孩，他被捆绑起来后割掉一只手，割下那只手的人曾是孤儿院的孤儿，他们只为报仇，断手被送到法捕房门口。

罗珊珊拿起断掌做出判断，范德威认同她的分析，罗珊珊希望能负责这个案件，范德威希望刘梵希和罗珊珊配合行动，刘梵希带人来到断手案的现场，冯二宝等人出去后关上门，刘梵希仔细勘探现场，他发现对方不只一个人，现场的打斗留下不少痕迹，刘梵希在模仿当时的情形，罗珊珊到后被冯二宝阻拦，她不听劝告闯了进去，罗珊珊见到刘梵希后有些吃惊，刘梵希知道她的真实身份后谈起案情，罗珊珊带着专业工具对尸体进行检验。

刘梵希根据现场的情况判断死者是被人追着要钱后遭到杀害，冯二宝进门后看到刘梵希和罗珊珊在讨论案情，用刀的人可以用快、准、狠来形容，刘梵希分析是上海滩的龙彪和身边的第一快刀所为，罗珊珊提出质疑，她认为切成那样肯定是懂医的人。刘梵希让冯二宝将尸体运回去，留两个人看守现场。刘梵希带着罗珊珊从小偷那里打听龙彪下落，他们赶往八仙楼。刘梵希和罗珊珊在八仙楼下见到快刀，刘梵希独自上楼见到龙彪，他向他问起薛三的事情，龙彪听到薛三死亡的消息后十分惊讶。

快刀给罗珊珊倒酒时被拒绝，罗珊珊将酒泼在他身上，快刀拔刀后和罗珊珊打起来。龙彪不承认薛三的死和他有关，刘梵希提出和他赌一把，龙彪命手下放下枪，他愿意赌，剩最后两枪时龙彪并不害怕，刘梵希再开一枪后安然无恙，龙彪害怕只好同意跟他回去。快刀和罗珊珊还在楼下打斗，罗珊珊将他制服，但手下留情。

龙彪被刘梵希带走，刘梵希没想到她会放倒快刀，他也是为她的安危考虑，刘梵希对罗成的死也是疑点重重，只是找不到证据。罗珊珊根据尸体认为龙彪不是凶手，最多是打了薛三，快刀也不可能将手掌切成那样，刘梵希明白了，他找龙彪询问当时情况，龙彪不想多加解释，刘梵希带他去见薛三的尸首，罗珊珊分析真正致命的是断手伤口。

龙彪向刘梵希望解释了快刀原名的原因，罗珊珊坚持认为真正的凶手懂得医学，刘梵希给龙彪三天时间交出凶手。陈欣的儿子将陈欣的照片摆在柜子里祭奠，他当年亲自看到父亲死去。刘梵希找到解剖学专家的徒弟小陈，他让他用最快的速度切下指定尸首的手。

小陈不明刘梵希为什么让他那样做，刘梵希向他讲起五年前的断手案，吴医生推荐小陈，刘梵希想看一下测试的经过，小陈告诉他说活人和死人的状态是不一样，切出来的效果也肯定不同，刘梵希相信了。刘梵希相信三天后龙彪会带来有价值的线索，他当年没找到师傅的遗体，听说是被河水冲走，刘梵希不明白为什么罗珊珊回来后断手案再次发生。

小陈想继续做案，他认为缺少法捕房会让行动更无趣，果果向他提出问题，还提醒他要小心。小陈来到教堂，神父劝他明天再来，两人曾经见过，神父想不起来，小陈提醒他五年前的雪夜，神父当年没有收留陈欣和他，小陈当年对神父十分仇恨，陈欣死在大雪中。神父进屋后被小陈捆绑起来，他想起当年状况，小陈用手术刀割下神父的手掌后送到巡捕房门口。

断掌的再次出现让刘梵希警觉起来，他一看就知道外国人的，罗珊珊也对那只手进行分析，手心的十字伤口让她不解，罗珊珊根据蜡烛分析人一定在教堂，刘梵希和罗珊珊赶往三一教堂，冯二宝等人也在途中，刘梵希和罗珊珊在教堂里分头行动，罗珊珊在门口听到一名男子的声音，说话的人正是小陈，小陈穿着红斗篷并蒙面，他和罗珊珊交手，刘梵希开枪后小陈逃走，等他们见到神父时他已经断气。

范德威随后带着巡捕来到教堂，罗珊珊和刘梵希只了解凶手的身高和体型。小陈的手被刘梵希用枪打伤，他的大名叫陈文南，陈文南让果果去买最烈的酒，他用白酒为伤口消毒，果果用镊子将弹头取出。罗珊珊分析凶手会治疗伤口，陈文南忍痛让果果用刀给自己手术，还注射了针剂。刘梵希让冯二宝密切注意去医院买消炎药的人，果果在医院里扮成护士偷了消炎药后离开。

范德威担心当年的断手案件暴露，他开始查找当年和陈欣有关系的人。龙彪带着被打的半死的人来见刘梵希，当他听罗珊珊现次说起断手案时有些无话可说，她只相信证据。刘梵希让龙彪回去好好给那人治伤，罗珊珊和刘梵希来到教堂向修女打听起最后一位来访者，修女不会说话，她用笔画出了陈文南的样子，但只有侧面，修女的名字叫童燕梅。

刘梵希拿着凶手的画像让罗珊珊看，她认为龙彪肯定能帮忙，龙彪看后马上安排手下兄弟去办，他想请罗珊珊吃饭时被回绝。罗珊珊建议刘梵希从神父的日记中查找线索，主要看五年前的，他们看到那篇大雪天的日记，那是罗成死亡当天的日记，罗珊珊推断是陈欣的儿子。刘梵希向范德威汇报教堂断手案，他想看五年前断手案的资料时被范德威一口拒绝，范德威将销毁档案的责任推在法国督查身上。

刘梵希带着申报的记者沈耀华见到罗珊珊，当年的断手案是他采访的，他曾拿到过一手资料，沈耀华让他们答应自己要在第一时间将断手案的情况告诉自己，双方都得到想知道的，刘梵希望根据资料和线索对凶手做出分析，五年前的断手案清楚地告诉他们案发现场，他认同罗珊珊的观点，两种断手案绝对不是简单的模仿。罗珊珊再次来到薛三断手案的现场进行演练，小偷闻声逃走时被她抓获，他去薛三家里只是想看看是否还有可偷的东西，他看到照片后向罗珊珊说起自己在薛三死的那天见到他。

沈耀华对罗珊珊的帮忙表示感谢，他写了一篇报道，罗珊珊希望用报道来激怒凶手，陈文南在报纸上看到，他轻视了罗珊珊和刘梵希。果果向陈文南说起街上有人拿着他的画像在寻找他，范德威担心罗珊珊会不依不饶，他清楚给日本人干活就是汉奸，商会会长许绍鳞对他给予支持。罗珊珊来到教堂发现童燕梅能说话，她是神父的养女，也记得五年前雪夜的事情。

罗珊珊回家后在罗成的书里发现国际象棋的图案，她按照图案摆起棋子，结果发现罗成当年写的日记，日记上详细地记载了五年前的事情，上面还写了胖子当时的反应，罗珊珊知道胖子指的是范德威，许绍鳞成了罗珊珊怀疑的对象，她猜想爸爸的死和第二动机有关。罗珊珊从冯二宝那里打听到刘梵希在妓院，她要进门时被打手拦住，但罗珊珊还是硬闯进去，看到刘梵希和小桃红在一起时有些生气。

罗珊珊拉着刘梵希离开，小桃红对他依依不舍，罗珊珊通过她的化妆指出很多问题。许绍鳞指使枪手对罗珊珊和刘梵希动手，他们发现危险后急忙躲藏起来，枪手藏在暗处，刘梵希发现至少有四名杀手，他去妓院找小桃红打听到薛三当年曾强奸过孤儿院的幼女，罗珊珊当时就怀疑是两名凶手。罗珊珊和刘梵希合力将五名枪手打死，但刘梵希一不小心吻到了罗珊珊的嘴唇，罗珊珊打了他一耳光。

刘梵希和罗珊珊在赌场找到老麦，谢老二赢钱后离开，刘梵希只留了一张并拿下捆钱的封条，他将枪手的毛瑟枪扔在赌桌上质问老麦，老麦不想出卖买家，刘梵希用枪对住他，老麦只好交待买家相貌特征。刘梵希和罗珊珊去银行查看封条情况，他们发现是两年前的封条，银行无从查起，范德威看到六个被杀的枪手，他给许绍鳞打电话说明情况。

罗珊珊向刘梵希说起父亲的日记，许绍鳞和范德威都值得怀疑。刘梵希和罗珊珊查到香港版的报纸包了脏款，范德威到后让他们回去好好休息，两名给枪手做饭的妇女被带回巡捕房。许绍鳞找到杀手钱七对付罗珊珊和刘梵希，钱七在街上对他们动手，刘梵希开枪打伤他的一只手，钱七仓皇逃走。

陈文南又准备行动了，果果帮他打探外面消息，她准备晚上和他一起去。陈文南和果查夜晚穿上红斗篷出现在黑夜，罗珊珊向刘梵希提议想一想下一个受害人会是谁。许衡酒后回到家里看到桌上的豆沙糕，他慌忙去楼上找枪时遇上果果，许衡下楼后见到陈文南，他被捆绑起来，陈文南逼问许衡当年指使的人，他知道真相后割下许衡的一只手，陈文南等这一天已经很久，他要让许衡的血流完而死。

许衡的手出现在法捕房，刘梵希打开后和罗珊珊一起分析研究，罗珊珊从手里发现线索。陈文南和果果在太阳出来后离开许衡家里，范德威听说刘梵希出发后带人赶过去，刘梵希和罗珊珊根据线索找到断手案的死者，他认出是许衡，罗珊珊分析手腕的切割的前两次一样，奇怪的是没有中毒的迹象，罗珊珊知道他是许衡后很惊讶。

范德威带巡捕到时许衡已死，刘梵希假装不认识来试探范德威，范德威蹲下查看，回去后他向许绍鳞说明，他们不想让刘梵希和罗珊珊再查下去。罗珊珊和刘梵希来到徐平家中，罗珊珊进门后感觉好像有人来过，钱七事先骗开看守进屋，罗珊珊在桌上发现徐平父母的来信，她之前没发现，刘梵希担心是个圈套。