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。此案交由警局政務警察松東路（劉青云飾）調查，思想縝密的文職人員松東路雖不通槍械卻擅長破解奇案。熱血警探郭追（謝霆鋒飾）因不滿警局腐敗，與松東路聯手調查。兩人通過鹽子彈、冰子彈等實驗始終未果，在深入追查中發現隱藏的殺人密室與詭異造彈裝置。隨著調查推進，警探小五（井柏然飾）為掩護二人遭暗殺。算命姑娘小云雀（楊冪飾）意外揭露“幽靈子彈”真相，其真實身份與兵工廠技術機密存在隱秘關聯。案件最終指向利用磁懸浮原理制造的無殼子彈技術，揭露了兵工廠內部高層為掩蓋非法武器研發而實施的連環殺人陰謀。