时值国家内战、军阀割据的乱世时代，军阀少帅曹少璘（古天乐 饰）因杀害三条人命，被普城保卫团团长杨克难（刘青云 饰) 绳之于法。可曹家财雄势大，以强权震慑居民，曹家上校张亦（吴京 饰）得悉事件后，赶来普城取人，在城中遇上多年不见师弟马锋（彭于晏 饰），马锋是位武功高强的浪人，路见不平欲拔刀相助，可是却面临正义与兄弟情之抉择。

作为亚洲金融中心的香港被称作“最安全的城市”，岂料警局接到一通匿名电话，对方声称劫持了警队的一辆前线冲锋车以及车内的五名警员和武器装备。此次事件引起了香港警队高层的高度重视，适逢处长（王敏德 饰）出访国外，此时由鹰派人物行动副处长李文彬（梁家辉 饰）与年轻的管理副处长刘杰辉（郭富城 饰）一起负责这次案件，并将行动命名为“寒战”，李文彬任总指挥。李文彬的儿子（彭于晏 饰）也是人质之一，刘杰辉因此对李文彬父子产生怀疑。与此同时，匪徒展开了进一步行动：警察被杀、爆炸案频发……到底是谁在将整个警队玩弄于鼓掌之中？香港真的是“最安全的城市”吗？