二十世纪70年代，旧金山出现了一个自称“十二宫”的杀人狂，杀人后，向媒体寄一封信，留下密码、线索，向警方挑衅，多次的阴差阳错使案件陷入僵局，警方渐渐束手无策。连环杀人案件也引起了《旧金山纪事报》的记者罗伯特（杰克•格兰恩哈尔 饰）和保罗（小罗伯特•唐尼 饰）的注意，他们在警察大卫（马克•普法洛 饰）的帮助下，开始调查这一系列的连环凶杀案件，在和“十二宫”杀手斗志斗勇的同时，他们个人的生活也面临了极大的挑战。
1969 年 7 月 4 日，一名身份不明的男子在加利福尼亚州瓦列霍的情侣巷用手枪袭击了达琳·费林和迈克·马乔。只有迈克活了下来。
一个月后，《旧金山纪事报》收到了自称“十二宫”的杀手写的加密信件，他威胁说，如果不公开包含其身份的密码信息，就要杀死十几个人。政治漫画家罗伯特·格雷史密斯（Robert Graysmith）正确地猜测到消息中没有他的身份，但犯罪记者保罗·艾弗里（Paul Avery ）或编辑并没有认真对待他，并且被排除在有关杀戮的最初细节之外。当报纸刊登这些信件时，一对已婚夫妇破译了其中一封。9月，凶手在纳帕县的贝里埃萨湖刺伤了法律系学生布莱恩·哈特内尔和塞西莉亚·谢泼德 ; 两天后塞西莉亚去世。
在办公室，艾弗里在讨论密码字母之前取笑格雷史密斯。格雷史密斯解读了这封信，艾弗里发现这封信很有帮助，他开始分享信息。格雷史密斯对这些信件的见解之一是，黄道十二宫将人类称为“所有动物中最危险的动物”是指电影《最危险的游戏》，该片以邪恶的扎罗夫伯爵为主角，他是一个猎杀活人类猎物的人。
两周后，旧金山出租车司机保罗·斯坦在该市的普雷西迪奥高地区被枪杀。十二宫杀手将斯汀沾满血迹的衬衫碎片连同一封嘲讽的信寄给了《纪事报》 。旧金山警察督察戴夫·托斯奇 (Dave Toschi)和他的搭档比尔·阿姆斯特朗 (Bill Armstrong) 受马蒂·李 (Marty Lee) 队长指派处理此案，并与瓦列霍 (Vallejo) 的杰克·穆拉纳克斯 (Jack Mulanax) 和纳帕 (Napa) 的肯·纳洛 (Ken Narlow) 队长密切合作。自称 Zodiac 的人继续发送嘲讽信件，并在吉姆·邓巴 (Jim Dunbar)主持的KGO-TV早间脱口秀节目中与律师梅尔文·贝利 (Melvin Belli)通电话。
1971 年，托斯奇、阿姆斯特朗和穆拉纳克斯侦探审问瓦列霍案的嫌疑人阿瑟·利·艾伦。他们注意到他戴着一块Zodiac 手表，上面有与凶手使用的相同标志，托斯奇认为他就是凶手。然而，一位笔迹专家坚称十二生肖字母不是艾伦写的，尽管据说艾伦双手都很灵巧。艾弗里收到一封威胁他生命的信；他变得偏执，开始吸毒和酗酒。他向河滨警察局通报了凶手可能在最初的杀戮之前就很活跃的信息，这激怒了托奇和阿姆斯特朗。此案的恶名让托奇感到沉重，他无法看完好莱坞电影《肮脏的哈利》，大致基于 Zodiac 案例。
1978年，艾弗里转会至萨克拉门托蜜蜂队。格雷史密斯不断地就十二宫谋杀案与托奇联系，并最终对案件的了解给他留下了深刻的印象。虽然托斯奇无法直接让格雷史密斯获得证据，但他提供了发生十二宫谋杀案的其他警察部门的名字。阿姆斯特朗从旧金山警察局凶杀案部门调来，托斯基因涉嫌伪造黄道十二宫信件而被降职。
格雷史密斯继续自己的调查， 《纪事报》对此进行了介绍，并就他正在撰写的有关此案的书接受了电视采访。他开始接到一个呼吸粗重的人打来的电话。随着他的痴迷加深，格雷史密斯失去了工作，他的妻子梅兰妮带着他们的孩子离开了他。格雷史密斯得知艾伦住在费林附近，可能认识她，而且他的生日与十二宫在他与梅尔文·贝利的一名女仆交谈时给出的生日相符。虽然间接证据似乎表明他有罪，但指纹和笔迹样本等物证并不暗示他有罪。1983 年，格雷史密斯追踪艾伦找到了一台 Vallejo Ace Hardware商店，他在那里担任售货员；格雷史密斯离开前，他们互相凝视着。八年后，格雷史密斯的书《十二宫》成为畅销书，迈克·马乔从警方的一张照片中认出了艾伦。
文本尾声表明，艾伦在警方审问他之前就去世了，案件仍在审理中。