美国加州的圣佩雷罗港一艘货轮爆炸，死亡27人，9000万美元失踪。事故发生以后，联邦调查局探员白基奇在医院等待昏迷不醒的幸存者；海关特派员大卫（查兹•帕明特里 饰）则对另外一名拿到特赦令的幸存者金特（凯文•史派西 饰）进行了审问。
金特供认，在事故中丧生的基顿（加布里埃尔•伯恩 饰）、法特（本尼西奥•德托罗 饰）、麦曼诺（斯蒂芬•鲍尔文 饰）和杜学尼（凯文•波拉克 饰），以及他本人，六个月前被警察局作为卡车抢劫案的疑犯带到警局过了一夜，五人因此结成了一个犯罪团伙，狼狈为奸，狠捞了好几笔。好景不长，某天，律师小林（皮特•波斯尔思韦特 饰）找到他们，让他们替神秘头目凯撒•苏尔烧掉货轮上的毒品。法特第一个退出，随即遭到杀害，剩下四人不得不接受了这个任务。在货轮上，麦曼诺、法特、基顿都没有找到毒品，也因此相继被凯撒杀害，船也被炸毁，金特因为留在岸上接应而侥幸生还。
另一边，在医院抢救的幸存者，拼出了凯撒的头像，结果让所有人大吃一惊……

1991年，香港黑帮三合会会员刘健明（刘德华）听从老大韩琛（曾志伟）的吩咐，加入警察部队成为黑帮卧底，韩琛许诺刘健明会帮其在七年后晋升为见习督察。1992年，警察训练学校优秀学员陈永仁（梁朝伟）被上级要求深入到三合会做卧底，终极目标是成为韩琛身边的红人。2002年，两人都不负重望，也都身背重压，刘健明渐想成为一个真正的好人，陈永仁则盼着尽快回归警察身份。
重案组从陈永仁手中获悉一批毒品交易情报，锁紧目标人物韩琛，没料情报被刘健明泄出，双方行动均告失败。但此事将双方均有卧底的事实暴露，引发双方高层清除内鬼的决心。命运迥异又相似的刘健明和陈永仁开始在无间道的旅程中接受严峻考验。

此片根据詹姆斯·艾罗瑞(James Ellroy)的小说改编，描写了1950年代，警界腐败、犯罪纵横的洛杉矶。
杰克·文森（凯文·斯派西 饰）是警界名人，常常出现在电视媒体中，与《嘘嘘报》的八卦记者狼狈为奸，靠制造和揭发明星的桃色新闻，赚取外快。艾德·艾斯力（盖·皮尔斯 饰 ）子承父业进入警局，野心勃勃，做事严谨，因为出卖同事而升职，受到大家的排挤；巴德·怀特（罗素·克劳 饰） 铁面无私，但是个性冲动，容易遭人利用。
一桩疑似抢劫的餐厅命案将这三个人联系起来。艾德·艾斯力找到了三个黑人嫌疑犯，并被判死刑结案，还因此收到上级嘉奖，但是他却在进一步的调查中发现案子并没有那么简单，他说服了杰克·文森和他一起继续追查；巴德·怀特对餐厅命案一直心存怀疑，他找到的线索也显示，案子根本没有想象中那么简单。
三个人迅速被卷入一个色情、毒品、谋杀、背叛、贪污、阴谋交织的网中，惊人的内幕......