马山（姜文）是西南地区某边陲小镇的一名普通警察，某晚参加妹妹婚宴时因喝得酩酊大醉被人送回家中，次日早晨醒来时，他发现从不离身的配枪不翼而飞。意识到偷枪人可用枪里的三颗子弹杀人时，马山不禁毛骨悚然，当晚所有参加妹妹婚礼的人都成了他的怀疑对象。 在对重点嫌疑人，卖“羊肉粉”的刘结巴、送他回家的周小刚、突然出现在周小刚家的旧恋人李小萌（宁静）一番追踪后，马山依旧没能理出任何头绪，而对李小萌的怀疑里，又混杂了极为复杂的感情，此又导致其妻怀疑他移情别恋。正在这时，李小萌在周小刚家被人用枪打死，马山作为嫌疑人被拘禁。经过一番冷静思考，他终于将乱麻捋顺，开始了寻枪之路。

二战期间，中国河北唐山挂甲台村的农民马大三（姜文 饰）在日本人的统治下过着平静的生活。一个晚上，游击队绑架了日军陆军士兵花屋小三郎（香川照之 饰）和翻译董汉臣，把他们捆绑塞入麻袋放在马大三家里，并吩咐马好好看管，几天后的大年三十来带人。马大三和村民战战兢兢地看守两人，花屋小三郎和董汉臣数次发出求救信号，皆被村民化解。半年过去了，村民们担心事情暴露，却又不敢把花屋等放了。
马大三最终被董汉臣说动，把花屋和董送到了日军宪兵队驻地，以换取粮食。日军宪兵军官酒冢猪吉是花屋的同乡。他表面上对马等人客气，但背后指责花屋让皇军蒙耻并殴打了他。宪兵队整队去马的村子里和村民联欢送粮，酒到酣时却乍露杀机……

七七事变前夕，华裔青年小亨德勒（彭于晏 饰）从美国远赴重洋，回到阔别十数年之久的北平从医。然而他真正的名字叫李天然，十三岁那年曾亲眼目睹师父一家遭师兄朱潜龙（廖凡 饰）和日本人根本一郎（泽田谦也 饰）灭门。侥幸逃生的天然被美国人亨德勒医生送往大洋彼岸，接受了极其严苛的训练，而今他怀着绝密的任务踏上故土。亨德勒父子租住神秘男子蓝青峰（姜文 饰）的宅子，蓝是当年辛亥革命的参与者，他与现为警察局长的朱潜龙过从甚密，却又以杀死李天然为筹码，暗中怂恿朱除掉根本一郎。复仇心切的李天然寻找到了仇人，而亨德勒医生则全力阻止养子冒险。在这一过程中，交际花唐凤仪（许晴 饰）与裁缝关巧红（周韵 饰）也卷入了男人的勾心斗角的漩涡里。直到七七事变爆发，所有的矛盾迎来了决断的时刻……
本片根据张北海的小说《侠隐》改编。