캘리포니아 해안가의 작은 마을 근처의 숲속에서 교살된 젊은 여자의 시신이 발견된다. 강력계 여형사 캐시 메이웨더(산드라 블록 분)는 신참 형사 샘 캐네디(벤 채플린 분)와 함께 이 사건을 맡는다. 현장에 남겨진 단서를 분석한 결과 성 도착자에 의한 우발적 살인으로 결론이 나지만 캐시는 단순한 살인이 아닌 뭔가 다른 배후가 있음을 직감한다.
 단서를 추적하던 두 사람은 현장에 남아있던 발자국을 단서로 고등학교 3학년 생인 리차드 헤이우드(라이언 고슬링 뿐)를 심문하게 된다. 완벽한 알리바이와 능청스런 말투로 혐의를 벗어나는 리차드. 그러나 캐시는 리차드와 그의 친구 저스틴이 완전범죄를 공모했다는 의혹에 사로잡힌다. 벗어날 수 없는 과거의 어두운 기억에 괴로워하며 자신의 직감과 고통스런 기억의 거울로 이 사건을 보려는 캐시와 과학적이고 합리적인 수사를 하려는 샘은 점점 충돌하게 된다. 정말 캐시의 생각대로 물질적으로 부족함은 없지만 마음은 공허한 두 젊은 청춘이 세상을 경악시키기 위해 살인 사건을 공모한 것일까? 혐의를 벗으려는 자와 혐의를 밝혀 내려는 자의 치열한 두뇌 게임이 시작된다.