东环市郊外发现一具被肢解的女尸，重案队全体同志在队长范刚的带领下，经艰苦细致的侦查，锁定了重大犯罪嫌疑人龙飞，可是龙飞却被诊断为精神分裂症，不负刑事责任，他们又同包庇犯罪的不法分子展开了更为艰苦的斗争，最终伸张了正义，使罪犯受到应有的惩罚...水落石出第三部是由中央电视台文艺中心影视部、山西广播电视总台、山西省公安厅联合出品的电视剧。主要讲述了东环市公安局九处重案队成员，在队长范刚带领下侦破一系列重大案件的故事。是一部讲述公安干警英勇无畏、无私奉献的国产刑侦电视剧。
东环市郊外发现一具被肢解的女尸，精神病人武疯子起初被认为是凶手，可是后来却因为证据不足而被否定，谁知在这个节骨眼上，武疯子却又病发，杀了一个出租车司机；但是重案队全体同志在队长范刚的带领下，经艰苦细致的侦查，找到了被藏匿的受害人头颅和四肢，确定了被害人的身份并锁定了重大犯罪嫌疑人龙飞；可是，在他们取得确凿证据之后，龙飞却被诊断为精神分裂症，不负刑事责任，他们又同包庇犯罪的不法分子展开了更为艰苦的斗争，最终伸张了正义，使罪犯受到应有的惩罚。案件结束后，喊振江开始和出租车司机的遗孀林秀明交往；而纳净云也不得不处理更棘手的事情——他的亲妹妹纳净洁来到东环找工作，却和女友周菁芳不对付。
大光公司董事长魏明君来报案说自己的座驾丢失，恰好其死对头——恒大公司的徐氏兄弟也来报案车子丢失的事情，范刚便将两个案子合并调查，最终众人成功侦破了高级轿车被盗案，魏董找回了自己的车，但是徐氏兄弟却因为买了赃车而赔钱，徐氏和魏明君的矛盾越来越深。而纳净洁又开始闹事，还撮合纳净云和法医苗青在一起，使纳净云和周菁芳的恋爱之路愈发不顺。魏董设宴欲拉拢范刚，但是范刚并不愿意和魏董同流合污。
韩大力报案自己的媳妇被拐，偏偏又有一对父母报案自己的女儿失踪。重案组赶到青川，在当地警察和一位少年的帮助下，最终解救出了被拐妇女并将相关涉案人员一网打尽；但是，韩大力的媳妇却和外人有了孩子，重案队虽然完成了任务，但却对后续问题痛心不已。案破后，林秀明向喊振江提出停止交往。
重案追逃行动开始，纳净云和周菁芳联手，先是利用亲情的力量成功抓捕逃犯江横，接着又来到监狱抓住了自作聪明的逃犯江顺；刘梦阳和喊振江先是被骗来到深圳，二人还为了搭火车不得不骗深圳警方，但最后还是将逃犯“地老鼠”抓捕；范刚和王彤兵分两路来到东北一个小煤矿，最后在当地警方的帮助下抓住了逃犯潘学章，范刚还顺道抓住了另一个逃犯许强山，并和雁门来的警察程坚成为了好友。
追逃行动结束后，喊振江意外救下了被欺负的林秀明，林秀明也开始认可喊振江。王彤和技术员白英奇在郊游的时候意外发现了一个制毒厂的痕迹；这时，纳净洁又闹事险些被迷奸，重案队凭借分析推理并案开始寻找毒品来源。谁知道刘梦阳却意外入狱，众人在二次追踪后发现牢头是毒品涉案人员，刘梦阳被洗清冤屈后，重案队又顺藤摸瓜抓捕陆有成，并派女侦察员周菁芳陪同陆有成进入制毒集团内部，谁知周菁芳险些丧命。最终，重案队联手南都警方在南都打掉了一个特大的制毒工厂。案破后，纳周二人恋情加深。
机关办公楼连连被盗，其中一起居然被盗现金48万元；局里认为此案和3年前未结的盗窃案件极为相似，于是要求重案队全力侦破；案子破获后，罪犯高俊交代了背后隐藏的大规模赌博活动，重案队再出奇兵，将赌博集团摧毁；最终，高俊由于立功改判12年有期徒刑（原判20年），他向重案队请求告知妻子不要涉嫌赌博，重案队应允。
徐氏兄弟的大哥徐强在一次宴会中被杀，重案队很快把目光引向同徐氏兄弟有仇的魏明君，然而却没发现任何线索；徐氏兄弟的二哥徐壮接手恒大公司，并以提供职位为由拉拢重案队，纳净云架不住妹妹，只得同意把她送到恒大公司任职，范刚也和李局设计通过为范刚侄子找工作的理由将一名侦查员安插入徐氏兄弟身边；然而怪事接连发生：徐壮遭遇枪击，魏明君手下大成被杀，徐氏兄弟的老三徐刚险些遭遇暗算。为了彻底追查，雁门警方派出警察程坚加入魏明君的公司进行卧底；后来，重案队发觉侦查被引入了歧路，但是徐刚却抢先发现了真相，徐壮见状绑架魏明君和跟踪而至的纳净洁，想杀死徐刚再嫁祸魏明君从而彻底解除后患；最后在众人的帮助下，重案队救下魏明君、徐刚和纳净洁并抓捕徐壮等涉案人员。案子破后，徐氏黑恶势力被彻底消灭，魏明君因为在这场斗争暴露出了许多违规经营的问题而濒临破产并遭受相关部门调查，纳净洁正式认可了周菁芳和纳净云的恋情，喊振江也和林秀明喜结连理。在喊振江的婚礼上，范刚带着全体重案队队员宣誓一定舍小家为大家，与犯罪斗争到底。