在美国与墨西哥的边界有一块灰色地带，那里是毒贩和杀手们的天堂，他们在此交易火并，完全视法律为无物。凯特（艾米莉·布朗特 饰）是联邦调查局的探员，带着惩奸除恶的正义理想与坚定信念，她来到此地加入联邦政府特种部队，成为了马特（乔什·布洛林 饰）的部下。亚历桑德罗（本尼西奥·德尔·托罗 饰）是曾经卧底在毒枭身边的前任特工，马特找到了他，希望经验丰富的他能够成为行动小组的战略顾问，然而亲历过地狱的亚历桑德罗完全不按常理出牌，他的所作所为时常刺激着凯特脆弱而又敏感的神经。随着调查的深入，死亡的气息笼罩着行动组内的每一个人，一次又一次与死神擦肩而过，凯特的信念开始发生动摇。

空穴来风，未必无因。1997年初，卓子强、叶国欢、季正雄互不相识，却恰巧在同一家酒楼出现。此后，江湖上便风声四起：香港犯罪史上最恶名昭彰的三大贼王，正密谋合作，做一件惊天大案！众人都以为他们要趁回归前，成就犯罪界的最后辉煌。殊不知，身为主角的三人却懵然不知……子虚乌有的谣言，竟渐渐成真！表面上，彷佛是传闻令他们走在一起；然而，却更像是他们三人在各自的性格、欲望驱使下衍生的必然结局。树大招风，本已全城瞩目的三人渐行渐近，所谓的世纪合作，更似在引火烧身… 是偶然，还是必然？电影改编自1990年代香港"三大贼王"张子强、叶继欢与季炳雄的犯罪经历。

香港某处发生爆炸案，前拆弹专家潘乘风（刘德华 饰）因昏迷于现场，被警方怀疑牵涉其中。苏醒后的潘乘风只能一边逃亡一边查明真相，然而，他的好友董卓文（刘青云 饰）和他的前女友庞玲（倪妮 饰）却给他讲述了两段截然不同的经历。有计划的爆炸案接二连三发生，真相却越来越扑朔迷离……

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。