在刑警学院任职的物理天才唐川（王凯 饰）与中学教师石泓（张鲁一 饰）年少相识，因彼此对数学的共同兴趣而惺惺相惜，多年后唐川在调查一桩杀人案时， 身为石泓邻居的陈婧（林心如 饰）被列入警方的“嫌疑人”之中，石泓与唐川因此再度重逢，而唐川却在调查中发现了更大的秘密……被迫站在对立面的唐川、石泓由此展开了一场高智商对决，一步步推动故事走向既震撼人心又令人扼腕的结局。

天才物理学家汤川学（福山雅治 饰）此次又受内海薰（柴崎幸 饰）所托，调查一件不可思议命案。受害人富樫慎二被发现死在河边，面目指纹尽毁。最大的嫌疑人是他的前妻花冈靖子（松雪泰子 饰），然而靖子却有着完美的不在场证明。一个人能够同一时间出现在不同地方吗？当汤川发现住在靖子隔壁的是当年的大学同学、同为天才的数学家石神哲哉（堤真一 饰）时引起兴趣。
毕业后因要照顾父母没有留校反而去高中教数学、一直生活得很落魄的石神每晚利用公用电话教靖子如何应对警察追查，靖子渐渐感到被束缚，但是由于给出的口供毫无可疑之处，警察决定放弃对靖子的调查，这时汤川却指出石神是关键人物。
案件的真相如何？世界上真有一个人同时出现在两个地方的事情吗？本片改编自日本人气推理小说家东野圭吾06年的直木奖获奖作品。

　　芝加哥发生了一桩震惊全城的恐怖血案。当地一间教堂的主教罗森惨遭杀害，身上被刻上神秘数字，警方逮捕了当时在场身染血迹的犯罪嫌疑人阿伦（ Edward Norton 饰）。马丁（理查•基尔 Richard Gere 饰）作为阿伦的辩护律师，和他的前女友检控官珍妮特较上了劲。　　马丁并不在乎事实，他为阿伦辩护的唯一目的就是要赢得官司，让自己一战成名。而珍妮特作为正义的代表当然寸步不让。珍妮特（劳拉•琳妮 Laura Linney 饰）调查得知罗森主教生前曾对阿伦等人进行性侵犯，而阿伦关于自己患有“时间失忆”症的辩解亦显得荒唐，关于他提到的凶案证人一直都未找到。珍妮特认为杀人动机等一切证据俱全。　　马丁借口阿伦患精神病使其成功脱罪，然而，一切皆出人意料。

艾德里安（马里奥·卡萨斯 Mario Casas 饰）经营着一间科技公司，事业蒸蒸日上，家中有美丽贤惠的妻子和活泼可爱的女儿，事业家庭双丰收的他是旁人羡慕的对象。然而，野心勃勃的艾德里安并未珍惜眼前来之不易的生活，一直以来，他和一位名叫劳拉（芭芭拉·蓝妮 Bárbara Lennie 饰）的女摄影师保持着肉体关系。
某日幽会过后，两人驱车离开别墅，却在路上发生了车祸，为了掩盖事件的真相，两人决定将在车祸中死去的青年丹尼尔联同他的车一起沉入湖底。之后，劳拉遇见了一位善良的老人，老人将劳拉坏掉的车拉回家中修理，然而，令劳拉没有想到的是，这位老人，竟然就是丹尼尔的父亲。

十八世纪，让-马普蒂斯特•格雷诺耶（本•韦肖 Ben Whishaw 饰）出生在巴黎最肮脏、最恶臭不堪的地方——鱼市场上。格雷诺耶天生对气味有着惊人的天赋：无论恶臭还芳香，他都一一记住，并能轻易分辨各种气味。
当他在孤儿院长到13岁的时候，被院长卖给了制皮匠。格雷诺耶在制皮铺过着犬马不如的生活。机缘巧合，格雷诺耶在香水巴尔蒂尼面前展露了其过人的天赋，进入了香水铺工作。但格雷诺耶并不仅仅满足于制作出世界上最芳香的香水，他梦想学得如何保存万物气味的方法。巴尔蒂尼告诉格雷诺耶香水的起源地在格拉斯，那里的人知道保存气味的方法。格雷诺耶拿着巴尔蒂尼的推荐信来到了格拉斯。
格雷诺耶爱上了青春少女的体香，为了把这种香味保存下来，格雷诺耶最终走上了杀手的道路。