电影以抗美援朝战争第二次战役中的长津湖战役为背景，讲述了一段波澜壮阔的历史：71年前，中国人民志愿军赴朝作战，在极寒严酷环境下，东线作战部队凭着钢铁意志和英勇无畏的战斗精神一路追击，奋勇杀敌，扭转了战场态势，打出了军威国威。

故事发生在2025年，因为和妻子张代晨（徐静蕾 饰）婚姻破裂，男主角江丰（黄渤 饰）走进记忆大师医疗中心接受手术，却不料手术失误记忆被错误重载，他莫名其妙变成了“杀人凶手”。警官沈汉强（段奕宏 饰）的穷追不舍让他逐渐发现，自己脑内的错误记忆不仅是破案的关键，更是救赎自己的唯一希望。与此同时，妻子身边出现的女人陈姗姗（杨子姗 饰）、记忆中浮现出的神秘女子（许玮甯 饰），似乎也和真相有着千丝万缕的联系，一场记忆烧脑战也随之开始。

七年前，福建西陇发生一起惨绝人寰的灭门惨案，某别墅内一家五口同日惨死，在社会上引起极大的震动，然而此去经年，嫌疑人杨自道（郭涛 饰）、辛小丰（邓超 饰）、陈比觉（高虎 饰）却依然逍遥法外。现如今，这三个人都在厦门过活，杨当起了出租车司机，小丰加入了协警队伍，因意外变成傻子的陈则带着三人捡来的女孩尾巴栖息在亲戚的渔场中。这一天，拥有丰富办案经验的伊谷春（段奕宏 饰）调到小丰所在的队伍担任警长。伊颇为器重能力卓越的小丰，但嗅觉灵敏的他也隐隐觉出这个男子和当年的灭门惨案有所关联。在此期间，道哥在一次意外中结识了伊的妹妹小夏（王珞丹 饰）。仿佛冥冥之中有一只看不见的手，正将这三个决心重新做人的男人推向无法更改的结局……
本片根据须一瓜的长篇小说《太阳黑子》改编。