《千禧年》杂志的财经记者米克尔·布隆克维斯特（丹尼尔·克雷格DanielCraig饰）正被一桩报导引起的诽谤诉讼案搞得焦头烂额之际，却意外接到了瑞典顶尖家族企业范耶尔工业集团的创始人亨利·范耶尔（克里斯托弗·普卢默ChristopherPlummer饰）的邀请。表面上米克尔要为对方写传记，实则是帮迪奇调查一桩40年前发生在家族里的悬而未决的杀人案。米克尔认真梳理堆积如山的资料，与家族成员交流攀谈。却在关键时刻，被一个边缘女孩莉丝贝丝·沙兰德（鲁妮·玛拉RooneyMara饰）入侵电脑盗取了资料。他找到同要具有非凡调查能力的莉丝，邀请她一同调查，却发现面前是一个深不见底的欲望黑洞……本片根据瑞典小说家斯蒂格·拉尔松（StiegLarsson）的原著改编。
在斯德哥尔摩，商人汉斯-埃里克·温纳斯特伦 (Hans-Erik Wennerström) 对记者提起诽谤诉讼，记者 米凯尔·布洛姆维斯特 (Mikael Blomkvist)正在从法律和职业影响中恢复过来。富有的亨里克·万格 (Henrik Vanger) 向布洛姆维斯特提供了针对温纳斯特罗姆 (Wennerström) 的证据，以换取一项不寻常的任务：调查亨里克 (Henrik) 16 岁的侄孙女哈里特 (Harriet) 40 岁的失踪事件和疑似谋杀案。
每年，范格都会收到一朵镶在镜框里的压花，这就是她在消失之前在他生日时送给他的那种花。他相信凶手正在嘲笑他。布洛姆维斯特搬进了赫德斯塔岛万格家族庄园的一间小屋。
与此同时，莉丝贝斯·萨兰德是一位年轻、才华横溢的反社会调查员和黑客，她的国家指定监护人患有中风。取而代之的是尼尔斯·比尤曼（Nils Bjurman），一个虐待狂，控制着莎兰德的财务，并威胁要把她送进精神病院来勒索她的性恩惠。比尤曼没有意识到她正在录下他，他将莎兰德锁在床上并残忍地强奸了她。在他们的下一次见面中，莎兰德用泰瑟枪电击了比尤曼，把他绑起来，用假阳具强奸了他，并在他的胸前纹上了“我是一只强奸犯猪”。她利用她录制的秘密录音勒索他，要求他确保她的经济独立，并不再与她联系。
与此同时，布洛姆维斯特探索了该岛并采访了万格的亲戚，了解到其中一些人是二战期间的纳粹同情者。他发现了一份名单和数字，这些名字和数字后来被证明是圣经经文的参考资料，并聘请莎兰德作为他的研究助理。她发现这份名单与 1947 年至 1967 年间惨遭杀害的众多年轻女性之间存在联系，表明这是一个连环杀手。许多受害者都有犹太人的名字，这使她推测谋杀可能是出于反犹太主义。一天早上，布洛姆维斯特在门口发现了他的猫残缺不全的尸体。又一个夜晚，一颗子弹擦过他的额头；莎兰德处理完伤口后，他们发生了性关系。两人得知谋杀案是哈丽特已故的父亲戈特弗里德和后来的她的兄弟马丁犯下的。
在寻找更多证据时，布洛姆维斯特被马丁抓住，并被迫进入一个专门准备的地下室。在那里，布洛姆维斯特被毒气杀害，失去知觉并被束缚。马丁吹嘘自己几十年来像他父亲一样杀害和强奸妇女，但承认不知道哈丽特发生了什么事。布洛姆维斯特即将被杀，莎兰德到来，袭击马丁并迫使他逃跑。她骑着摩托车追赶他，直到他冲出道路撞上丙烷罐，炸毁汽车并杀死了他。莎兰德护理布洛姆奎斯特恢复健康，并透露，她小时候曾试图活活烧死她的父亲，后来被送进了收容机构。
他们推断哈丽特还活着并且躲藏起来。在前往伦敦的途中，他们找到了她。哈丽特透露，戈特弗里德在她 14 岁时对她进行了整整一年的性虐待，直到她能够自卫，并在此过程中杀死了戈特弗里德。戈特弗里德死后，马丁继续实施虐待。她的表弟安妮塔将她偷偷带离了岛上，并让哈丽特在伦敦承担了她的身份，尽管安妮塔和她的丈夫后来在一场车祸中丧生。哈丽特终于摆脱了哥哥的束缚，回到瑞典，泪流满面地与亨利克重聚。
正如所承诺的，亨里克向布洛姆维斯特提供了针对温纳斯特罗姆的信息，但事实证明这些信息已经过时且无用。莎兰德透露，她侵入了温纳斯特罗姆的账户，并发现他正在为各种犯罪集团洗钱。她向布洛姆维斯特提供了温纳斯特罗姆的罪行证据，布洛姆维斯特在一篇措辞严厉的社论中发表了这些证据，毁掉了温纳斯特罗姆，并使布洛姆维斯特名声大噪。莎兰德乔装前往瑞士，从温纳斯特伦的秘密账户中取出了 20 亿欧元。温纳斯特罗姆后来在一次明显的黑帮枪击事件中被谋杀。
在给布洛姆维斯特送圣诞礼物的路上，莎兰德看到他和他的已婚情人埃里卡·伯杰正在深情地交谈。她扔掉了礼物，骑着摩托车离开了。