電影《嫌疑人X的獻身》以一起殘酷的兇殺案為故事主線。影片講述了男主為了暗戀的女主，利用自己的高智商，將女主所犯的謀殺罪洗清，然後通過一系列假象將嫌疑人推到自己身上，最終讓自己深陷牢獄而獲得愛情的故事。
在漢江邊的一處高架橋下，有人發現了一具有些腐爛的男性屍體，死者的頭部被擊碎，手指被燒傷。警方無法獲取死者的面部特徵與指紋特徵，死者的身份一時難以確定 。
而就在大家犯愁時，負責辦案的鄭警官在屍體不遠處的一個鐵爐裡，找到一把鑰匙。鑰匙上掛著一個房牌，根據房牌上的信息，鄭警官找到一處民房，並在民房裡找到一張身份證，還找到了幾根毛髮。經過DNA對比，證實了民房中的毛髮來自死者。
警方也由此判斷，民房中的身份證應該就是死者的。根據身份證上的信息得知，死者名叫金某，年齡30多歲，查明瞭金某的身份，警方便開始了走訪調查。後得知，金某有暴力傾向，經常毆打妻子，前幾年和妻子離了婚，卻還經常騷擾前妻的生活。
由此判斷，金某前妻有重大殺人嫌疑，鄭警官和同事來到金某前妻花善的家中。在跟花善交流的過程中鄭警官發現 ，花善神情慌張，雙手發抖，儼然一副做了虧心事的樣子。幾十年的辦案經驗告訴鄭警官，花善應該就是殺害金某的兇手。
不過，令鄭警官疑惑的是，死者的死亡時間是九日晚上六點到八點，而這個時間 花善正帶著侄女看電影 。而且，金某前妻還拿出了電影票力爭自己的清白，不過，鄭警官還是有些懷疑。畢竟，買的電影票並不一定代表看了這部電影。鄭警官又調去了電影院的監控錄像，想要證實一下，金某前妻到底有沒有去電影院，可令鄭警官失望的是，他在監控上看到了金某的前妻花善，也就是說，金某前妻有充分的不在場證據。
案件陷入僵局，鄭警官決定對金某前妻進行測謊，意圖從金某前妻的話語中尋找漏洞。金某前妻應邀來到測謊中心，開始了謊言測試，可測試結果表明，她對前夫的死毫不知情。
案件到了這裡，所有的證據都將金某前妻排除在外，鄭警官也無奈停止了對金某前妻的調查。就在這時，鄭警官碰到了一位老同學——眼睛哥。眼鏡哥是金某前妻的鄰居，既然是鄰居，那他應該多少知道一些金某前妻家的情況。
於是鄭警官決定從眼睛哥入手，繼續調查金某的前妻，令鄭警官沒想到的是，眼鏡哥居然在暗戀金某前妻花善。而且，眼鏡哥和金某前妻對視的時候，兩個人的眼神總會變得有些神秘，像是兩個人的心底藏著一個只有彼此才知曉的秘密。
鄭警官感覺的出，這個秘密不是愛情，倒像是一場陰謀。鄭警官不由得心頭一顫，難道金某的死，與他的老同學眼鏡哥有關？鄭警官暗中開始了對眼睛哥的調查，並接連發現了一些可疑之處。例如，金某當天被殺，眼鏡哥沒有去上班。同時一名流浪漢也在這一天失蹤，而且，有人見到眼鏡哥和流浪漢走在一起。
根據這些可疑之處，鄭警官猜測，他們的辦案思路可能從一開始就是錯的，他們發現的那具屍體並不是真正的金某，而是那名流浪漢。在這起案件中，金某應該就是金某前妻所殺，眼鏡哥只是扮演了拋屍的角色。只不過眼鏡哥為了讓心愛的花善避開嫌疑，而他在拋屍之後，故意在第二天殺害一個人，毀掉所有身體特徵，然後留下一些線索，讓警方誤判死者就是金某，警方調查的是假的金某，當然找不到金某前妻是謀殺金某的證據。
就在鄭警官稍有眉目的時候，眼鏡哥忽然自首，承認了殺害金某的事實。鄭警官一時難以找到證據證明自己的猜測，而眼睛哥的突然自首，讓他措手不及。他知道，一旦眼鏡哥定罪，就算找到證據，只要眼睛哥不上訴，金某被殺一案就難以翻案。鄭警官心有不甘，他找到眼鏡哥，訴說了自己的猜測，希望眼鏡哥不要為了一個女人讓自己含冤入獄。
眼鏡哥默認了鄭警官的猜測，但沒有聽從他的勸告，依然堅持自己殺害了金某，希望警方早些結案。案件開審之後，眼鏡哥拜託鄭警官交給金某前妻一封信，他在信中講述了對金某前妻花善的愛意，希望金某前期能夠幸福地活下去。因為只有她幸福了，他才會幸福。
故事結局雖有些遺憾，但案件的走向卻始終是在男主的精心策劃下進行，可謂是一部早就預知結果的人造悲劇。愛情的無私與偉大，在男主身上尤為凸顯，而女主最後的呼喊也印證了這份愛的真誠！
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