东北的冬季气温寒冷，湖面结上了结实的冰块，一个神秘男子将一个绑了双手的男子扔在了冰面上，拿出一根铁钩刺进男子的身体内，一路拖行把男子扔进了事先砸烂的冰窟窿里面。男子掉进冰窟窿沉入水中，不多时便溺水死亡，很快地，他的周围出现了许多鱼不断啃食他的身体。
老警员周鹏(梁家辉 饰)开车搭载女儿周欣怡顺着白雪覆盖的山路前行。因为警方接到一起群众报警，冰河里出现了一具死尸，周鹏带着女儿周欣怡(周冬雨 饰)来到事发地点，凭着丰富的办案经验，找到了白雪盖住的受害者流出的血液。
另一个城市里，年轻热血的警察汪豪(佟大为 饰)是个拼命三郎，在查一起绑架案时竟然从高桥往下跳，跳进了正在驾驶的卡车车厢里面。犯罪份子驾车前行了一段路程，停下了卡车。汪豪趁机从车上下来，又经过一番追逐打斗终于逮捕了犯罪份子。
死者胃里出现了贡化物，由此可以推断死者曾经长年在提炼厂工作。周鹏在当地向导的带领下来到荒废已久的金源提炼厂查案，提炼厂已经倒闭了，无人居住。但突然间发现的脚印让周鹏察觉到了一定有人在提炼厂附近出没，于是沿着脚印追了出去，周鹏顺着脚印追出老远，并没有发现神秘人，而是发现了冰河下的另一个受害人。
汪豪奉命来到依西调查王建设失踪案，此案正好与周鹏调查的河中男尸案件有关联。于是两人联手展开调查。
两人再一次来到提炼厂调查，发现了提炼厂竟然欺骗村里人，秘密将工业废水排入河里，污染村里的水源，造成村里孩子大多都先天残疾。
经调查确定当年提炼厂的四个合伙人，其中两个就是被发现的两个受害人，还有一个是失踪的王建设，另外一个是车祸后移居西班牙未归的翁杰。周鹏分析凶手对当地环境非常熟悉，并且一直在引导警方发现金源提炼厂的真相。
提炼厂的原负责人之一王建设被神秘人囚禁在地窖里面。周鹏与汪豪晚上在村里例行检查，一路检查找到了地窖。突然发现一神秘人抗起王建设迅速逃跑，周鹏与汪豪驾车追赶神秘人，双方驾驶汽车在冰路上展开了追逐，神秘人驾车来到河面，把汽车开进了河水中，弃车逃走。汪豪不顾危险，跳进河水里面寻找被绑架的王建设，河水能见度极低，汪豪找到了沉入水里的汽车，打开了驾驶室车门，拉出了王建设，将其带往医院抢救，但仍抢救无效死亡。
周鹏和汪豪决定封锁了王建设死亡的消息，并让村长放出消息说王建设没死。一神秘人来到医院里面寻找机会暗杀王建设，周鹏与汪豪在医院里面追赶神秘人，抓到了扮成医生的神秘人韩明，也就是当年提炼厂的四个合伙人之一的翁杰。
韩明向警方招供，将当年的一些秘密和盘托出。当年韩明与几个伙伴一起合伙经营提炼厂，但由于污水系统花费很大，几个人丧尽天良为节约成本竟往河水里面排放工业污水，这些工业污水流进河水里面，长年毒害着住在河边的村民，村子里许多残疾孩子在出生的时候就天生残疾，皆因母亲喝了工业废水。
当年韩明一直良心过不去，决定向警方举报几个合伙人，不料却被合伙人暗中报复，全家出了车祸，痛失妻儿。韩明也去了国外，整了容改名换姓回来给家人报仇。
韩明的供词看似合情合理，但其中还有一些可疑之处，周鹏敏锐的察觉到凶手另有其人。正如他猜测的一样，真凶不是韩明，而是李永胜(魏晨 饰)。提炼厂两个负责人都是李永胜杀的，李永胜此时也知道当年最后一个负责人是韩明，为了杀掉韩明，李永胜绑架了周鹏的女儿。威胁汪豪和周鹏交出韩明。
汪豪得知周鹏女儿被绑，带着韩明不顾一切驾车追踪李永胜。周鹏随后驾车追来，与汪豪一起追赶李永胜。此时周鹏也在吴雪的口中知道李永胜有可能是韩明的同伙，并把韩明家的资料发给了周鹏。
汪豪在路上再次把生死置之度外，不顾一切追赶李永胜，险些在路上被一辆卡车撞死。李永胜开车来到河上，打算把韩明沉进水里。周鹏与汪豪赶了过来，汪豪想向李永胜开枪，但周鹏不允许汪豪枪毙李永胜。在周鹏与汪豪的注视下，李永胜道出尘封多年的往事。十年前，李永胜的哥哥无意中发现了金源提炼工厂排放污水的秘密，而韩明在内的几个工厂负责人为了隐瞒真相，暗中纵火烧死了李永胜的家人，只有李永胜一人存活，而他当年看到了放火的人就是韩明。为了帮家人报仇，以及为村民们讨还公道，李永胜追杀提炼厂的几个负责人，之前的两个人就是他杀的，他把受害者扔进河水里面，任由受害者在水中溺亡，被鱼儿啃食。受害者生前经营提炼厂向河中排放工业废水，李永胜要让受害者也尝尝喝污水的滋味。
可韩明却否认了李永胜的说法，指出李永胜的哥哥当年知道了真相却没有报警，而是不断勒索几个提炼厂的负责人。他们本无心要杀他全家。但此时李永胜根本不信他解释，执意要报仇。
周鹏见李永胜对韩明动了杀念，冲上前扑倒了李永胜，向李永胜展示了韩明家里的助养证号。告诉他多年以来资助李永胜的恩人就是韩明。原来，韩明一直对李永胜全家充满愧疚，于是暗中资助李永胜长大成人，他去医院暗杀王建设，其实是想为李永胜顶罪。
李永胜得知真相情绪激动，韩明为赎罪主动跳进了冰冷的河水里面。周鹏不顾一切跳进水里救韩明，李永胜在最后关头良心发现，跳进水里协助周鹏救出了韩明，而他自己却放开了汪豪的手，带着欣慰的笑容沉入水里为自己做过的一切赎罪。
周欣怡是平安的，回想起了周鹏，汪豪，韩明，李永胜四人曾在一起踢球的欢乐场面，只是现在再也不会有了。
此案结！
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