《时空来电》主要讲述积案组组长何君（李小冉饰）从职场菜鸟蜕变成飒爽警花，带领以新人刑警顾明哲（王天辰饰）为首的四人破案小组，为寻求积压悬案真相四处奔走，伸张正义的故事。
其中，从事刑警职业20年的何君，在努力查案的同时也一直在寻找失踪许久的刑警曹征（杜淳饰）。然而，生活在2018年的顾明哲和生活在1998年的刑警曹征，却在意外情况下通过一通神秘来电开启了奇妙交流。尔后，两人依靠着一部旧手机，在不同时空里相互提供线索，将一桩桩积压悬案逐个侦破，揭示匿藏于每个案件真相的同时，也引发了案件背后关于人性的思考。他们20年如一日寻求真相的迫切愿望，向观众展现人民警察“有案必破，使命必达”的形象，传递“正义终将战胜邪恶势力，正义不会迟到也永远不会缺席”的正能量。

章在山（刘德华 饰）是香港警队“爆炸品处理科”的一名高级督察。七年前，他潜伏到头号通缉犯火爆（姜武 饰）的犯罪团伙中，在一次打劫金库的行动中，章在山表露了其拆弹组卧底的身份，与警方里应外合，成功阻止炸弹引爆，并将火爆及其弟的犯罪组织一网打尽，可惜在千钧一发之间，火爆逃脱并扬言誓要报仇。复职后的章在山很快被晋升为警队的拆弹专家。七年后，香港接二连三遭遇炸弹恐怖袭击，警方更收到线报大批爆炸品已偷运入港，一切迹象显示香港将有大案发生。就在香港人心惶惶之际，城中最繁忙的红磡海底隧道被悍匪围堵拦截，数百名人质被胁持，终于现身的火爆威胁警方炸毁隧道。章在山唯有将火爆绳之于法，才能拆解这场反恐风暴背后的惊天阴谋。

年过半百的航运船长林权海（王学圻 饰）在14年后重返重庆家中，他一心忙于事业，以致接连遭遇两次失败的婚姻，而在他外出期间，25岁的儿子林波（子义 饰）也因在超市抢劫、伤人被警方当场击毙。对林权海来说，这个阔别已久的城市有着太多太多让他难以理解的变化。在此之后，他接连拜访前妻李育英（丁嘉丽 饰）、朋友老金（王奎荣 饰）、老金的儿子昊子（秦昊 饰）、女店员玲子、被劫持的人质竹青（范冰冰 饰）、林波的女友小雯（李菲儿 饰）以及击毙林波的刑警刘成（张嘉译 饰），只为看清儿子真正的面目和内心，以及十数年落转所失落的情感碎片……
本片取材自发生在重庆的一起真实事件。

津海禁毒大队长张雷(孙红雷 饰) 刚完成卧底任务，成功抓获一批体内藏毒的毒贩，却在医院碰见一名失控撞车受伤的蔡添明(古天乐 饰)。雷凭其敏锐职业嗅觉，判断蔡添明涉嫌制毒，遂查出已被炸成狼藉的制毒窝点。与此同时，粤江缉毒警察军、雄跟踪运送毒品原料的货车，一路来到津海。雷接应二人，得知此毒品原料来自大毒枭黎振标，而收货人正是蔡添明！ 面对犯罪事实，蔡添明供认不讳，更愿协助警方，诱捕黎振标，戴罪立功。以张雷为首的津海、粤江两地警员遂乔装买家与黎振标贩毒团伙展开一场危险博弈，同时，还要时刻提防蔡添明逃跑，斗智斗力！最终，张雷发现了黎振标的惊天秘密，更与蔡添明有着千丝万缕的关系，张雷惊觉这个为求活命，不惜出卖任何人的蔡添明，可能并不是自己的棋子，或许倒过来，是自己在他的棋盘上。未打响一枪，毒战早已拉开帷幕……

故事发生在闭塞的山区之中，韩冲（王紫逸 饰）为了捕猎设置了炸药，哪知道这炸药没被动物踩到，却被同村的腊宏（余皑磊 饰）给踩了个正着。炸药爆炸了，腊宏身受重伤，最终不治身亡，留下了可怜的哑巴妻子（郎月婷 饰）和一双儿女。
经过全村人民的商议，韩冲决定赔钱将这件事情私聊，可是哑巴媳妇却似乎对赔偿的金额完全没有兴趣，整天疯疯癫癫胡言乱语，大家都认为，丈夫的死对于这个女人来说打击过大，她疯了。无奈之下，韩冲只得背负起了照顾母子三人生活的责任，在此过程中，他渐渐发现了哑巴媳妇的温柔可爱之处，两人渐渐走到了一起。

曾是“O记”杰出探员的庄士敦（刘德华 饰），四年前因某起案件双目失明，而今眼前一片漆黑的他仍乐此不疲捡起沉疴多年且悬而未决的无头之案调查，在给受害者讨回公道的同时赢得丰厚的悬红报酬。他判案手法独特，擅长在头脑中原原本本还原当事人所处的场景和持有的心情来追查线索。在追查“通渠水伤人事件”疑犯的过程中，庄偶然结识当年“O记”好哥们司徒法宝（郭涛 饰）的下属何家彤（郑秀文 饰）。何虽然办案经验不足，但身手了得，关键时刻救下了正处在危急关头的庄。她对这位名震一时的“破案之神”佩服得五体投地，因此请求庄Sir接手帮忙调查许多年前失踪的好友小敏的下落。
看在百万赏金的份上，庄点头应允。在短短十天内，庄Sir和何家彤同时周旋在几宗案件之间，每起案件的真相交替浮出水面，而他们彼此的心也在生死考验的过程中渐渐拉近……

北洋时期，袁世凯死后，军阀混战，北京天桥上来了一名留英归国的大魔术师张贤（梁朝伟饰）。张贤一鸣惊人，他的演出引来军阀雷司令（刘青云饰）的关注，为了博得七姨太柳荫（周迅）的欢心，他带柳荫去看张贤表演。然而，雷司令不知道的是，张贤和柳荫早就认识，是青梅竹马的恋人，而且有婚约在身，但张贤为了出国留学学魔术，把婚期遗忘，待嫁闺中的柳荫随即被打军阀雷司令抢走……

20世纪30年代，20岁的张乃莹（汤唯 饰）逃婚求学，却惨遭抛弃。投靠未婚夫汪恩甲（袁文康 饰）后的张乃莹依然躲不开被抛弃的命运，好在遇到了在报社工作的进步青年萧军（冯绍峰 饰），两人相知相爱。通过萧军张乃莹认识了女编辑白朗（田原 饰）、罗峰（祖峰 饰）夫妻以及聂绀弩（王千源 饰）等文学作家，改名“萧红”后的她得到了鲁迅（王志文 饰）、许广平（丁嘉丽 饰）夫妇的首肯，随后又结识了了胡风（冯雷 饰）、梅志（袁泉 饰）夫妇、蒋锡金（张译 饰）、丁玲（郝蕾 饰）、端木蕻良（朱亚文 饰）等人，在同时代作家的互相鼓励之下，虽然战事不断、颠沛流离，萧红却逐步走向了创作的“黄金时代”。