本片根据美国畅销作家丹•布朗的同名小说改编。欧洲核子中心的科学家维多利亚•维特勒（阿耶莱特•祖瑞尔AyeletZurer饰）与父亲在高速粒子对撞机实验中收集到了反物质，却发现父亲遇害，尸体胸口被烙“光照派”符号，高爆炸性的反物质被偷走，出现在正待选新教皇的罗马梵蒂冈，威胁天主教廷及整个罗马的安危。于此同时，四位主要教皇候选人的红衣主教神秘失踪。在教皇内侍（伊万•麦克格雷格EwanMcGregor饰）的授意下，哈佛大学的符号学专家罗伯特•兰登教授和维多利亚都被请到梵蒂冈协助罗马警察开展搜寻行动。兰登说服罗马总探员奥利维迪（皮耶法兰西斯柯•法维诺PierfrancescoFavino饰）依照“土、气、火、水”的提示在罗马的名胜教堂间与“光照派”展开了时间战……
天主教会哀悼教皇庇护十六世的突然去世，并准备在梵蒂冈城举行教皇秘密会议选举他的继任者。教皇帕特里克·麦肯纳(Patrick McKenna) 神父在教皇空缺期间暂时控制梵蒂冈。
与此同时，在欧洲核子研究中心，科学家西尔瓦诺·本蒂沃利奥神父和维多利亚·维特拉博士制造了三个反物质罐。当维特拉去评估实验时，她发现西尔瓦诺已被谋杀，一个罐子被盗。此后不久，四名最受青睐的教皇候选人被一名自称代表光明会的男子绑架。他向梵蒂冈发出警告，声称他将从晚上 8 点开始谋杀每一位红衣主教 。到午夜，隐藏在城市某处的被盗反物质将会爆炸并摧毁它。
由于美国符号学家罗伯特·兰登教授参与了巴黎和伦敦的郇山隐修会 ，他被带到梵蒂冈帮忙。听完刺客的威胁后，他推断四位红衣主教将在“光明之路”的四个祭坛上被谋杀，地点与古典元素有关。麦肯纳不顾瑞士卫队司令里希特指挥官的意愿，允许兰登进入梵蒂冈秘密档案馆研究祭坛。兰登和维特拉博士检查了伽利略·伽利雷的禁书，找到了第一个祭坛的线索。最初相信它是在万神殿，他们最终发现它是基吉礼拜堂。尽管他们在梵蒂冈城宪兵队的埃内斯托·奥利维蒂和克劳迪奥·文森齐的陪同下冲向教堂，但他们已经来不及拯救红衣主教埃布纳了，后者因一口泥土而窒息，并被烙上模糊的“地球”一词。
沿着基吉教堂贝尔尼尼雕像留下的线索，兰登发现第二个祭坛是圣彼得广场上贝尔尼尼创作的雕塑。到达目的地后，他们发现红衣主教拉马塞身受重伤，肺部被刺破，胸口烙有“空气”字样。拉马塞尸体上留下的威胁字条让维特拉怀疑庇护十六世并非死于中风，而是因服用过量亭扎肝素而被谋杀，他服用亭扎肝素治疗血栓性静脉炎。当麦肯纳和维特拉秘密检查梵蒂冈墓地的尸体时，这一点得到了证实。返回档案馆进行进一步研究后，兰登、奥利维蒂和文森齐辨认出维多利亚圣母堂作为火祭坛，他们未能拯救被烙上“火”字样的红衣主教吉德拉免遭烧死；刺客出现并杀死了除了兰登之外的所有人，然后逃跑了。
在查阅了罗马地图后，兰登确定最后的祭坛是纳沃纳广场的四河雕塑。在两名梵蒂冈警察的护送下，他们在四泉喷泉中发现了试图淹死红衣主教巴吉亚的刺客，巴吉亚的身上烙有“水”字样。军官们被刺客杀死，但兰登在旁观者的帮助下救出了巴吉亚。巴吉亚告诉兰登，他和普里蒂蒂一起被关押在圣天使堡。
里克特没收了西尔瓦诺博士的日记，从而使维特拉相信他是阴谋者。兰登、维特拉和警察冲进圣天使堡。兰登和维特拉找到了刺客的巢穴，发现了红衣主教身上使用的四个烙印，并推断失踪的第五个烙印是为麦肯纳准备的。刺客与他们对峙，但两人安然无恙。他声称自己是受“上帝之人”雇用的，并警告他们“要小心”。刺客被引导到一辆逃生车，并在车爆炸时身亡。兰登和维特拉发现了一条通往梵蒂冈的秘密通道，警告瑞士卫队麦肯纳的命运。他们发现里克特悬停在带有麦肯纳品牌的车上。里克特和被指控为共谋者的大主教西蒙被杀。
在圣彼得墓中发现反物质容器，预计五分钟后引爆。寒冷的温度过早耗尽了电池的电量（根据 Vetra 的说法，该设备没有足够的剩余电量来保持反物质悬浮）。麦肯纳是一名前直升机飞行员，他抓住了这个罐子，驾驶一架直升机飞向天空，在反物质爆炸前几秒钟跳伞。爆炸在整个梵蒂冈城释放出强大、令人眼花缭乱的冲击波，但没有人丧生，教堂也得到了拯救。麦肯纳被誉为英雄，有人呼吁他以鼓掌方式当选教皇。
兰登和维特拉从里希特的办公室取回了西尔瓦诺的日记，发现他出于医疗原因用隐藏的安全摄像头监视着教皇。使用兰登从里克特那里取回的密钥，他们发现麦肯纳是袭击背后的真正策划者。教皇邀请西尔瓦诺公开展示反物质作为神圣力量的证据，弥合宗教和科学之间的差距，并有可能结束它们之间的冲突。考虑到这种亵渎的说法，麦肯纳策划了庇护十六世的死亡，并雇佣了刺客，密谋让自己当选教皇，同时让光明会成为替罪羊。这段录像被展示给教皇秘密会议。麦肯纳意识到自己已经暴露，在拒绝被活捉后自焚自杀。
第二天早上，红衣主教巴贾被选为新教皇。他选择使用教皇卢克这个名字，暗指圣经中的卢克既是一名医生又是一名使徒，象征性地弥合了科学与宗教之间的鸿沟。梵蒂冈还宣布麦肯纳因跳伞受伤而死亡，这引发了人们对他封圣的呼声（因为人们并不知道他是幕后主谋）。教皇的新任内务大臣施特劳斯红衣主教将伽利略的书交给兰登，以感谢他的帮助，并要求他确保这本书在他最后的遗嘱中返回梵蒂冈。卢克教皇向兰登和维特拉表示感谢，然后走到阳台上向下面的人群致意，并按照传统的方式授予教皇“Urbi et Orbi”称号。