一九八八年，寧江市發生多起連環殺人案，死者皆為年輕女性，生前遭受侵犯，致命傷乃是利器切割喉部。結合這些案件的共同點，兇手喜歡在居民區或者礦場附近的偏僻地點作案，時間選擇在雨夜或者大雨之前，以此來掩蓋作案痕跡。
然而目前警方能夠掌握的有效信息就是兇手疑似左撇子，手法殘忍及熟練，令人毛骨悚然，鬧得全市人心惶惶。衛國平才來警隊就面臨這么大案子，出警勘查險些鬧了笑話，所幸尚有師兄陳山河維護，只不過他二人都是電機廠工人出身，難免會遭某些警察同僚嘲笑，自然而然落得個“保衛科雙雄”的戲稱。
師兄弟回家陪師父吃飯，師父陳有貴主動提及此案，擔心兇手會盯上廠區南邊的廢料堆。陳山河覺得問題不大，除非今晚下雨，果然話音剛落，屋外雷聲大作，暴雨傾盆。衛國平和陳山河意識到不妙，當即披好雨衣出門分頭巡邏，正巧發現兇手對一名女子實施侵犯。
女子呼救聲吸引來衛國平，兇手不得不終止作案逃跑，陳山河緊追不舍，一直追到數十米高的鐵架。最終陳山河被兇手割喉，重傷倒地不起，等到衛國平匆忙趕來，他已經徹底斷了氣，兇手下落不明。
轉眼時間來到九六年，自事發之后迄今已有八年，衛國平從警員升任刑偵三大隊隊長，更因雷霆辦案獲得衛無期的外號，源于他所經手的案件都從無期徒刑起跳。縱然如此，衛國平仍有一樁陳年心結未解，兇手在九二年銷聲匿跡，可他始終耿耿于懷，經常待在檔案室里查看卷宗，不放過任何蛛絲馬跡。
三隊收到消息有一伙廣東人要來寧江犯案，具體情況尚且不明，衛國平和副隊長劉順奎帶著隊員們前往游戲廳調查，老板孟三做賊心虛，本想要逃之夭夭，結果被他們逮個正著。在衛國平的審問下，孟三交代出交易地點。
隨后衛國平等人行動之前沒有向局里匯報，擅作主張去跟買家碰面，本以為能一網打盡，可當衛國平來到飯店包廂，發現所謂買家竟是四大隊隊長宋哲喬裝假扮。也正因三隊和四隊鬧得這么一出烏龍，自然而然打草驚蛇，宋哲生氣指責衛國平沒有事先匯報，衛國平也是不甘示弱地回懟，兩隊之間的矛盾有增無減。
寶華集團董事長兼總經理聶寶華聽到風聲后，私下里喊來金沙酒吧老板趙剛，表面是對他小懲大誡，實則讓他掏光家底。無論趙剛如何心不甘情不愿，都得忍氣吞聲地接受聶寶華的安排，心里默默發誓要報復回去。
副局長顧衛東帶著衛國平泡溫泉，還不忘批評對方擅自行動。然而衛國平油嘴滑舌，令他這個做師父都無可奈何，還要操心徒弟盡快找個女朋友解決終身大事。衛國平滿腦子都想著偵破“八八殺人案”，整天早出晚歸不見人影，已經無法像正常人生活，還患有失眠癥，也就打消結婚念頭，省得禍害人家女孩。
顧衛東勸說衛國平應該往前看，無論生活還是工作都要分清主次，所以催促衛國平趕緊整理好八八案的材料進行移交。衛國平果斷拒絕，生要見人死要見尸，氣得顧衛東懲罰他去看守水庫。
這天夜里，顧衛東照常來錄像廳觀看錄像，學習國外先進的偵察技術。與此同時，一名年輕女孩下班往家走，進入小巷被陌生男人跟蹤，等她好不容易掙脫跑回家里，豈料男人居然站在窗前，露出一雙可怕且兇狠的眼睛。
衛國平全神貫注地記錄刑偵知識，房間燈泡忽然熄滅，一片漆黑，不得不起身往外走，循著光看見咖啡廳老板聶小雨端著長壽面和蠟燭，錄音機播放著生日歌。原本聶小雨想借著生日的機會向衛國平表白，豈料衛國平端起長壽面回到房間繼續看錄像，對于她的愛意視若無睹。
愛而不得的聶小雨大發脾氣，覺得衛國平嫌棄自己臟，想到這里傷心落淚。衛國平心情復雜，恍然想起八年前雨夜救下聶小雨的一幕，兇手一日沒有落網，他便一日不能成家，這種責任感讓他不愿正視內心感情。
后半夜雨雪未歇，小雅回家時發現有人尾隨，急忙攔下一輛出租車，觀察身后男人身影消失在胡同口，這才算松了口氣。正當小雅放松警惕之時，陌生男人突然沖出來，直至次日清晨，一袋袋東西被丟進了垃圾場。
一天之內接連發生兩起碎尸案，死者沒有完整尸體，全是經過高溫蒸煮的人體組織，大大小小的碎塊被拋入不同垃圾桶。也正因無法辨認死者身份，法醫只能通過牙齒等判斷年齡大約二十到二十五歲之間，兇手顯然是預謀已久的作案慣犯。
由于大量碎尸沒有找到，衛國平向轄區派出所所長包維強打聽附近垃圾場，又安排人手追查兇手下落，格外注意當夜巡班民警是否有留意可疑之人。顧衛東將這件案子交給三隊負責，至于四隊便是翻垃圾找線索，衛國平察覺有一道目光投來，當他回頭看向圍觀群眾，一名戴著帽子的黑衣男子轉身離開。
距離發現尸塊過去一小時五十分鐘，省里領導對此高度重視，局長廖連良立刻召開專案會議，邀請省警校刑偵專家吳克參與探討。吳克故意點名衛國平回答問題，衛國平絲毫不露怯，平靜回應對于這起案件的看法和偵查方向。
宋哲持有相反觀點，從而得到吳克的默許。目前局里能夠動用的人員不到兩百人，宋哲提出要拉網排查，至少需要大量警力放在哨卡檢查過往車輛，僅剩寥寥數人留給三隊。衛國平滿肚子怒火無處發泄，尤其聽完這些所謂的領導的“精辟發言”，直接表態自己干脆撿芝麻，說完摔門離開會議室，帶著劉順奎等人驅車前往垃圾場。
可當負責看守的管理員打開大門時，衛國平看得眼睛都直了，十幾座垃圾山映入眼簾，光憑他們五人從這些垃圾里翻找尸塊，簡直是難如登天。幸好陳有貴帶來電機廠的工人們幫忙，衛國平很是感激，事先向大家說明此次尋找與案件有關的尸塊，倘若有人害怕忌諱可以退出，結果沒有一個人想要退出。
隨著專案會議結束，廖連良單獨找來顧衛東，埋怨衛國平居然公開跟領導叫板，肯定會給省里造成不好的印象。顧衛東知道徒弟的性子，可相較于宋哲沒有主見且優柔寡斷，他更喜歡衛國平做事雷厲風行。
衛國平看著大家毫無循序地翻找垃圾，新垃圾和舊垃圾混合影響進度，忽然心生一計，便讓他們先把距離門口最近的垃圾堆清理出來，然后送往早已廢棄的印刷廠大院，如此就能徹底區分好垃圾堆。果然有人找到裝有大量長頭發的包裹，衛國平立刻派人聯系技術科查驗。
此時江王廟派出所傳來消息，一位值班巡警在案發當天看到可疑男子騎車經過，車上放著幾袋東西和一個桶。也正因是下雨的緣故，巡警沒有看清男子長相，只能提供他的行蹤。衛國平帶著徒弟湯志遠騎車模擬案發之時兇手的行進方向，準確調整路線和方向，終于找到一處比較偏僻的樹林，并且在下水道發現可疑物。
一九九六年二月二十六日，距離發現尸塊已經過去七小時，衛國平和湯志遠通過桶狀痕跡找到排水渠，并且從下面摸索出裝有人體器臟組織的編織袋，以及高溫蒸煮后的女性頭顱。湯志遠頭一次看見這種場面，嚇得渾身瑟瑟發抖，顧衛東親自給他披上外套，安慰他學會勇敢為死者討回公道。
此刻天徹底黑透，垃圾運轉站里的眾人繼續翻找可疑線索，電機廠工人小周聽聞警方統計失蹤人員名單，便尋思要向衛國平反映情況，結果被陳有貴阻攔。說話間，有人找到一包肌肉及皮膚組織，技術人員檢查后確認死者生前遭受割喉。
衛國平忽然想起八八案兇手，猜測碎尸案與他有關。偏巧又有人發現名酒和螃蟹，種種線索指向富人居住的幸福里小區，衛國平通知湯志遠趕緊去了解情況，或許小區住戶都有可能見過兇手。
目前警方掌握三個拋尸地點，分別是四坡路、豆芽橋和江王廟，宋哲依照理論結合地點分析兇手所在范圍，可問題是地點跨越較大，很難鎖定具體位置。吳克多次為宋哲解圍，奈何宋哲表現平平，令顧衛東很不滿意。
關鍵時刻，垃圾轉運站傳來新線索，宋哲如獲至寶般，激動且迅速地分析出兇手方位。吳克對宋哲贊不絕口，建議盡快縮小偵查范圍，顧衛東默認可行方案，命令眾人集中排查福安里附近。
衛國平查看失蹤人員名單時，留意到一位名為高秀蓮的女性，此人乃是電機廠工會主席，本來已經登記失蹤人口，可沒幾天又被家屬銷案，原因是工廠改制，聶寶華經常派人來鬧，廠長為避免節外生枝平息此事。
但是根據小周透露，高秀蓮對聶寶華等人態度非常強硬，他還看到虎子曾在高秀蓮失蹤當晚出現過，騎著一輛兇手同款的摩托車。而在另一邊，趙剛與黑老大們內訌，孟三的馬仔陳浩瀚忠心護主，舉起酒瓶子砸向趙剛腦袋。
正當趙剛準備教訓陳浩瀚之時，衛國平突然出現阻止這場鬧劇，意外得知陳浩瀚就是陳山河的親弟弟。衛國平單獨盤查趙剛，逼他交代虎子的下落，臨走時還不忘警告他若是泄密后果自負。
來到美高美舞廳后，衛國平憑靠敏銳的刑偵能力，迅速找出虎子藏身之處。虎子劫持人質奪路而逃，衛國平等人緊追其后，期間虎子高處墜落重傷，他們也在天臺成功解救綁架案受害人高秀蓮。如此看來，虎子與碎尸案毫無關系，高秀蓮送往醫院救治，案件移交所屬分局刑警隊立案調查。
聶寶華的情婦寶麗收到消息后，第一時間來找聶寶華，要求他救出弟弟虎子，否則就要找人干掉衛國平。然而聶寶華聞言變色，厲聲警告寶麗絕不能碰衛國平，且不論妹妹聶小雨喜歡這個人，只要是沒有掌握住電機廠的主動權之前，必須要杜絕任何不利因素。
趙剛記恨上次用啤酒瓶砸自己腦袋的馬仔，對外放話抓到他砍掉一只手，衛國平為能保住陳浩瀚，不得不主動聯系聶小雨幫忙。聶小雨空手奪刃救下陳浩瀚，奈何陳浩瀚絲毫不領情，來到派出所對衛國平破口大罵，認為他與哥哥的死脫不了干系。
隨著搜索階段進入尾聲，顧衛東再次召開專案會議，各隊匯報調查進展。衛國平堅持認為兇手極有可能與八八案兇手是同一人，大膽設想他是借著碎尸為由掩蓋割喉手段，怎知吳克居然駁回衛國平的論點，抨擊他硬是把兩件案子扯上關系太過牽強，帶有主觀色彩影響推斷不該采納。