某日雨天，巫江夔山树林中发现一具女尸。因作案细节与二十年前轰动一时的小白鸽凶杀案雷同，老家在此的市刑警队队长山峰前来与当地刑警江流等人一同并案办案。从死者秦菲的丈夫李锐那他们了解到秦菲患有抑郁症，其原因与小白鸽的死有关。在争论李锐是否是重大嫌疑人时，退休警察叶永年突然出现，山峰因回忆情绪剧变。原来，儿时山峰曾在事发当晚跟丢小白鸽，并在她遇害后被造谣成杀人犯。多年来，山峰始终对此案念念不忘。在案发树林，山峰和江流等发现了一枚脚印并目击到了疑似凶手的神秘人，三人穷追不舍但仍被其逃脱。山峰吃饭时结识了非常挂念失联女儿的面馆老板谢希伟，回去后被神秘人打晕绑走。趁对方犯病挣脱束缚后，山峰发现此处墙上贴满了小白鸽案的相关报道。

小白鸽原名白歌，打晕山峰的老人是她的父亲白卫军。山峰表明自己的身份和破案的决心，但仍未能安抚不满警察的老人。沙海洲以周胜曾杀人为由勒索他，两人决定鱼死网破。为保护弟弟周宇，周胜用其女友叶小禾威胁他离开。叶小禾认出了山峰，表示要查明秦菲的死因再走。她向警方说出当年秦菲白歌李锐三人的爱慕关系。当年因秦菲的小小谎言，白歌遇害，李锐得知后对其实施冷暴力。警察遂去李锐家进行调查，而其有所隐瞒。山峰发现李锐家生活气息冷淡怪异，决定派人全天候监控李锐。次日，李锐避开监控下落不明。街上又被白卫军贴满恐吓传单，昏迷的叶永年也被挂上写着无能的木牌。警察由李锐的车发现，案发当晚本应值班的他曾避开监控驾车进入夔山。他们再次来到李锐家中调查，却接到了他打来的电话。

周胜通过手下段超找到石磊，帮忙暗杀沙海洲。接到李锐电话的警方赶来发现他正抛洒传单。李锐称自己杀了秦菲，只为唤醒白歌案。随即他意欲自杀，被救下后逮捕。吃饭时，山峰得知谢希伟和自己一样从小被收养。从叶小禾那里得知秦菲此前早有死志后，江流和山峰再次提审李锐，李锐坦白：他曾想放下过去，但是秦菲屡次自杀让他绝望，最后两人共同策划了这个案件。得知真相后山峰决定向市里申请重启白歌案。当日，过生日的谢希伟仍未能等到女儿的音讯。山峰前去看望白卫军，告诉他警察从未放弃。被触动的白卫军拿出收集的嫌疑人名单并告诉山峰，名单上嫌疑最大的是沙海洲。然而此时，沙海洲已被石磊杀害。在结案整理时，秦菲的日记为警方提供了两点目击线索：第一现场另有其地，凶手与卡车相关。

山峰拿着名单质问，江流表示除了新加的“瘸子”潘军，都已查过。叶小禾决定离开时发现周宇曾在白歌墓旁买了墓地。周宇坦白：是他害死了白歌。江流根据脚印查到周宇，周宇过度紧张引起了他的注意。随后，江流赶去帮山峰解围，并带他找到潘军。周胜得知警察找过潘军后再次雇石磊杀人，段超答应帮石磊找一个叫张汉东的人。山峰和江流重回现场听到与潘军描述相符的渡轮声，由此推断他与白歌案关系密切。二人立即回去找潘军，但是人已被石磊劫走。山峰和江流去沙海洲和潘军一起服刑的监狱寻找线索，却发现周胜段超曾和他们是狱友。山峰二人赶去试探周胜，但并无收获。夜晚，本欲自首的周宇被周胜派人带走；谢希伟跟踪女婿赵杰并袭击了他。江上，潘军即将被杀时提到知情白歌案，石磊命其说出所知。

经分析，周胜、周宇嫌疑重大。警方查出周宇在白歌案后状态急转直下，周胜也曾对老沙下手。石磊跟踪白卫军发现他在监视周胜家。找不到周宇的叶小禾等来段超传话：周宇要和她分手。叶小禾想起当年周宇兄弟的古怪之处，怀疑起了周胜。她找到周胜表示已知其秘辛，并会和周宇一起离开，周胜假意答应。叶小禾走后，周宇向周胜拔刀被弄昏。这全都被监视的白卫军看在眼里。白卫军带山峰去看了周宇购买的墓地，为此他找到叶小禾，但她缄口不言。周宇被段超带离时借机逃走。周胜得知后震怒，段超献计让周宇亲手杀死叶小禾使其死心，周胜最终同意。周宇约叶小禾见面时二人被抓，警方接到石磊匿名电话后赶往现场。段超逼迫周宇杀死叶小禾，叶小禾决意赴死。此时隐藏的白卫军出手干扰，混战中周宇中枪。

　周胜未能救活中枪的周宇，另一边白卫军追问山峰凶手未果。山峰和江流找到幸存的潘军，却得知白卫军持枪闯入周胜家。两人赶去时白卫军已被周胜挟持到即将爆破的巫江大酒店，周胜坦白：当年周胜和周宇在工地看到白歌以为她死在竹筏便决定抛尸，没想到白歌苏醒，遂亲手杀了白歌。山峰找到段超小弟，逼问出周胜下落。段超按周胜要求去医院带走叶小禾，离开时遭到石磊袭击。等待段超的周胜只等来石磊，石磊确认了周胜跟小白鸽案有关，欲杀周胜。几人展开搏斗，最后段超赶来使周胜逃脱。山峰赶到后拼命追去，三人驾车追赶时互相撞翻。事故中山峰受伤，周胜被捕，而石磊借机逃脱。事后山峰找谢希伟钓鱼，而此时谢希伟为找女儿谢甜甜，已囚禁赵杰逼问女儿下落。

石磊拿到了段超给的名单并去白卫军家偷走了白歌案的线索。叶小禾挖出叶永年的工作笔记。山峰沿江查找做竹筏的一家，只剩了个哑巴孩子。叶小禾回到周宇诊所发现一本写着卫青名字的手语书上标注着：穿黑雨衣的杀了人。山峰找哑巴卫青时遇到逃跑的卫青和紧追的叶小禾，卫青表示，手语书是他送周宇的，他曾亲眼见凶手将白歌放上竹筏后整理仪容。此时，谢希伟对赵杰严刑逼供，赵杰逃跑未遂。叶小禾把笔记交给山峰，他发现叶永年当年查到合江县有一起相似案件，死者名吴翠兰，同样是竹筏抛尸。山峰回局阐明这很可能是连环杀人，请缨前往合江县调查。山峰等人来到合江县，七叔带他们找到吴翠兰女儿石佳，并告知其兄便是石磊，多年未曾放弃追凶。此时，石磊出现在泸溪，找到了一个张汉东。

山峰等人找到退休刑警周文贤，周文贤落座前叶小禾匆匆离开但仍被看到。周文贤回忆，石磊曾因打伤货车司机阎东辉入狱。从阎东辉那得知，他曾目睹张汉东和吴翠兰约会。此人很可能就是杀人凶手，石磊因此在找他。离开前，周文贤让山峰帮劝叶小禾去见其妻子也就是她的母亲一面。叶小禾告诉山峰，她母亲离婚前就跟周文贤在一起了，但叶永年为维护其形象，称是自己赶走了她，叶小禾也因此怨恨叶永年多年。最终山峰说服叶小禾去见母亲，然而其态度令叶小禾积怨爆发，留下父亲的笔记后离开。回巫江的路上，警方又查到两起竹筏案，死者名齐飞、张勇。石磊在另一个张汉东那得知泸溪的张汉东就是自己要找的人，山峰等人此时亦查到张汉东下落。警方赶到时石磊正欲杀张汉东，最终张汉东被捕，石磊逃脱。

众老刑警齐聚审案，叶永年成功使张汉东坦白：他未曾杀人，但身份证曾于车队丢失。他们得知此人并非阎东辉所见的张汉东，并且他的腿确实早就被打瘸，无法作案。此时江边发现了谢甜甜的尸体，其死亡细节一如连环竹筏案，但尸体曾被冰冻。山峰了解到谢甜甜常殴打赵杰，江流等人则闯进赵杰家找到冰柜藏尸的证据。他们找到冰柜，但捡到的人称这是一个女人扔的。山峰推断：赵杰背后的人才是真凶。江流回到家中，妻子却拿出了离婚协议书。山峰来到面馆询问谢甜甜尸体边的娃娃，谢希伟表示这是她小时候最爱的玩具。山峰等人赶在张汉东逃跑前给他留下电话。警察走后，张汉东想起昨天在面馆被谢希伟威胁。地窖里，谢希伟将白歌，齐飞，吴翠兰，张勇，谢甜甜五张照片一起裱在墙上，像张全家福。

山峰因为张汉东在面馆与谢希伟起过冲突并且二人曾在同一个车队怀疑起了谢希伟。在与谢希伟钓鱼时山峰问及张汉东，但谢希伟称不记得，随后说起自己的身世。在江边找到走失的叶永年后，叶小禾带江流和山峰来到移民纪念馆。山峰受其中合照启发，推测凶手是在杀掉想象中的家人，而谢希伟符合此条件。张汉东约见山峰，称当年开车撞过偷他身份证逃跑的谢希伟，因此被威胁。两人前往面馆，遇到被石磊从地窖救出的赵杰。此时，谢希伟来到了夔都山峰家中。山峰和江流沿血迹来到地窖，山峰发现相框里竟有自己的照片。病房内，赵杰承认杀害谢希伟的养女谢甜甜。回到警局的山峰收到谢希伟寄来的汇款单，谢希伟竟是他多年来的资助人。山峰家，谢希伟给山峰打完电话，拿走他的成长照片后离开。

叶小禾为自己当年造谣向山峰道歉并开解他重新振作，山峰母亲也来到巫江鼓励他。山峰重回白歌案现场告别过去，亦想起了当年凶手的相貌。回到警局山峰推测：谢甜甜身边的布娃娃实际是谢希伟妹妹的玩具，当年因目睹谢甜甜父母的死状谢希伟停止杀人并收养了她。他们来到谢希伟的养父母家，得知谢希伟是被亲生父亲陈双河卖给了养父，其全家死亡只剩弟弟只是假象。拿到谢希伟的全家福后，山峰等人找到了谢希伟的杀人逻辑：除了相像，受害人身上的物品也与其全家福上的相仿。江流的妻女被假扮出租车司机的谢希伟劫持，石磊阻止未遂。谢希伟打电话威胁江流，江流拦住跟随的山峰等人独自前往。此时，山峰接到谢希伟的电话，明白他此举是为了要挟自己跟他回家。

山峰经局长同意单刀赴会谢希伟，其他人配合找到其亲生家庭的下落。山峰来到江边，发现江流一家人被绑在装有炸弹的船上。山峰不断安抚谢希伟拖延到其亲生父母赶来。谢希伟得知真相后彻底崩溃，关键时刻，山峰将其扑下船一起掉入江中。山峰醒来得知谢希伟并未抓获，随后警方搜寻线索推测其去了陈双河家。谢希伟尾随陈双河一家来到游乐场，江流打电话提醒陈双河小心，而这时其女儿外孙已不见人影。一家人慌忙寻找，此时警方赶来。最终罗成发现了偷窥的谢希伟，与其厮打至昏迷。山峰等人将谢希伟围困，然而谢希伟眼里只有婴儿车里的孩子。这时谢希伟突然中枪倒地，只见石磊举枪站在后面。击毙谢希伟后石磊放下枪束手就擒，一切终于尘埃落定。几天后，山峰将谢希伟的骨灰撒入江中。