《消失的子弹》讲述了民国时期发生的一桩离奇命案。国内最大的兵工厂内，一名死者被神秘的“幽灵子弹”击中，现场却始终找不到弹头。案件迅速引发恐慌，被称为民国第一奇案。
负责调查此案的是警局中管理档案的政务警察松东路（刘青云 饰）。虽然身为文职的他不会拳脚功夫，也不懂开枪，但思维缜密，擅长用独特的方法破解疑难案件。与此同时，一心为民除害、却无法忍受警局贪污腐败风气的热血警探郭追（谢霆锋 饰），也与松东路联手展开调查。
究竟怎样才能在不开枪的情况下杀人？子弹又为何会在射入人体后凭空消失？为寻找答案，松东路和郭追围绕枪械与弹药展开了各种实验，甚至尝试向猪身上发射盐制子弹、冰制子弹，却始终没有得到满意的结果。随着调查不断深入，两人逐渐发现了阴森恐怖的杀人密室，以及诡异离奇的造弹装置，连经验丰富的松东路也为之震惊。
就在“幽灵子弹杀人”的真相即将揭开之际，松东路和郭追却接连遭到追杀。警察小五（井柏然 饰）为掩护两人逃亡，在开枪阻挡追兵时不幸惨死。结案期限步步逼近，算命姑娘小云雀（杨幂 饰）的一次无意透露，也让隐藏在“幽灵子弹”背后的惊天秘密逐渐浮出水面。
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