26岁女子梁文静在家被杀一案，备受关注。死者身边有羊头面具，酷似《羊头判官》杀人情节。恰逢影帝莫如深逝世十周年，有陌生人捐出羊头面具，给大家提供纪念展。
警察刘志明（张孝全饰）负责调查此案，同事排查锁定目标名叫傻秋，认为此案邪乎，死者梁文静的心脏居然不见，还跟逝去影帝莫如深DNA相符。很多羊头粉丝参加莫如深纪念展，凶手难辨。刘志明认为细节重要，怀疑凶手看不惯梁文静勾引别人作风，想当羊头判官惩罚她。同事感觉此案不是很好查。
死因解码研究所法医主管杨竞风给大家安排了案子，宋安妍（蔡卓妍饰）作为首席法医，跟团队负责羊头杀人案的调查，他们秘密进入展览馆。
作为莫如深忠实粉丝，傻秋暴露出现在展览现场，被刘志明看到。刘志明冲上去，跟傻秋发生打斗时，为救下朋友受轻伤。傻秋追到展览后场，发现宋安妍在取证，认为她在破坏莫如深的东西，十分生气。刘志明跟上来，为抓傻秋，忍不住开枪，吓到宋安妍。
宋安妍从梯子上摔下，刘志明为救她，让傻秋乘机跑掉。宋安妍认为刘志明破坏自己查案，要他拿出委任证，刘志明拿不出来。同事程警官指责刘志明，说他办事不利，破坏展览现场，警局还要倒贴钱，没有抓到傻秋。
关警官给刘志明出了赔偿欠单，刘志明看到宋安妍要离开警局，将她拦住，让她跟自己一起承担欠单，认为自己是出于救她，才破坏了展览馆。
宋安妍的行为被恶人网曝，莫如深的粉丝都来找宋安妍麻烦，关警官决定安排人保护宋安妍，宋安妍指着刘志明，让他保护自己。刘志明很不情愿，关警官威胁他，如果不同意保护，就把他调去交通组。
刘志明按时来到研究所，宋安妍不让他进来，说他身体毒素飙升，会污染研究所，让他去隔壁消毒。没想到他在消毒时，鲁日华和周乐贤等人通过监控看他。
宋安妍准备对梁文静尸体解剖，发现她身体有很多伤痕，曾做过换心手术。刘志明在旁看着不忍直视。宋安妍怀疑凶手有专业医学知识，姚咏琪认为死者被拖拽过。各种猜测，宋安妍要把梁文静的各种证物和思想融合，去寻找凶手。
她再次来到梁文静家，通过对现场的观察，发现死者生前被人跟踪，不是直接被杀，而是被注射某种针剂后，凶手取下梁文静心脏。
刘志明对宋安妍的行为疑惑，担心凶手再次出现袭击她。宋安妍刚走出房子，就被戴着羊头的傻秋盯住。傻秋向宋安妍挥刀，幸好刘志明在，将他拿下。
傻秋被关在审讯室，疯疯癫癫的样子，让程警官无可奈何。刘志明建议继续关押四十八小时。凶手再次作案，同样的手法杀掉独居男士佐治。佐治被剥皮，器官遭受损害，法医等人判断这是针对器官移植的动机。
宋安妍受到傻秋刺激，影响了她的高敏症，刘志明从医生那里得知她的情况。宋安妍怀疑凶手想获取器官，用于人造干细胞。刘志明想要对医院获取器官捐赠的人调查，被前台拦住。刚好护士长看到后，提醒他们有名单会在垃圾堆。
刘志明查到，陈聪同样被杀，凶手在某音乐播放的情况下实施犯罪，怀疑要杀第四人了。刘志明激动，让宋安妍赶紧查出来，否则将有第四条人命。
程警官到关长官处告状，指认刘志明不配做自己上司。关警官没有指责刘志明，误以为他患有癌症，刘志明将计就计。
正当宋安妍一筹莫展时，周乐贤查到，莫如深改过名字，真名叫陆家安。莫如深展览闭幕，
大家都在感谢闭幕嘉宾孙谊，傻秋再次出现，他拿着刀走进人群。神秘人戴着羊头看莫如深电影，被宋安妍打断，宋安妍知道他是谁。
傻秋戴着羊头面具袭击孙谊，被刘志明等人擒住。宋安妍猜到莫如深展的策划人，正是医院护士长叶护士。叶护士坦白自己身份，她看得出宋安妍有经验，迟早都能知道真相。宋安妍表示，作为法医只管事实，不管真相。
叶护士告诉宋安妍，莫如深一生只爱一个女人。她后悔当初选择离开，所以心里有多爱，就有多恨，她选择观察每一位接受过莫如深器官的受赠者，认为他们死有余辜，不配接受捐赠。这个世界已经不存在陆家安，她只为守着这份情和永远不能让人知道的秘密。
叶护士拔刀想要杀宋安妍，被得到通知的刘志明拦住，但没想到程警官开枪，将叶护士击毙。杨竞风猜到，宋安妍是故意接近刘志明，怀疑刘志明一直在查她妈妈的案子。那些恐吓宋安妍的照片，也是宋安妍自己处理的。杨竞风让宋安妍原理刘志明，否则会有更多危险。
刘志明破获羊头杀人案，却被程警官邀功。刘志明不在乎，他告诉宋安妍，每次查案，只要看到无辜的人死亡，就会想要怀疑自己，认为自己没有早点出手相救。他内心一直还在想二十年前的案子，他没有保护好那个小女孩，他不知道的是，小女孩就是宋安妍。杨竞风拿出叶护士常看的《嗜血悬案》，将其烧毁。
林小美（钟欣潼饰）正在教学生吹双簧，突然有女生从学校高楼跳下，该死者名叫安莉，是学校首席吹双簧管的。根据闭路电视监控，安莉跳楼前进入电梯神志不清醒，有疑似吸某毒的征兆。刘志明看过尸体，认为此案并非自杀这么简单。
刘志明等人随机对安莉同学咨询，听说她喜欢谱曲一些奇怪的作品，安莉在转学前曾十分优秀，但转学后就变了。安莉父母给警方施压，让他们务必找出真凶。
杨竞风安排宋安妍等人到现场搜集物证，被警方专属法医拦住。警方说自己是ZF法医，不需要第三方机构掺和。杨竞风跟警方谈判，称研究所有上级授权批文，可以参与此次调查。警方只有同意他们进去现场，提醒他们不要破坏现场。
鲁日华和周乐贤用专业设备检查，校长让清洁工扔掉相关物品。刘志明在排查现场情况时，发现有两人神秘交流，以为其中戴口罩男子在援交。口罩男当场反对，刘志明想抓他去审讯室，被口罩男反击。刘志明没有办法，克制自己冲动，也不想得罪互联网的高手。
姚咏琪通过对安莉身体复检，发现死者的死因可疑。周乐贤认为安莉迫于压力，就是自杀。双方想法不一，宋安妍认为还有东西没查清楚。杨竞风提醒宋安妍，安莉爸爸不同意验尸。
让她通过上述法庭的方式获取验尸资格。
尽管宋安妍很不情愿，但还是冒着社恐的感觉，来到法庭现场，却被别的律师数落。宋安妍陈述，安莉的死因警方法医取证不周全，存在很多疑点。死者身体血液有其他药物成分，但报告里均为提及。但对方律师太多强硬，一直逼问宋安妍，导致她无法完整陈述。
律师数落死因解码研究所并不专业，认为他们都是为了钱去做事，依附权贵。宋安妍高敏症发作，情绪激动，被对方律师爆出精神疾病，导致法官当场判决，她的证言无效，不能再对安莉的尸体进一步检查。刘志明看到宋安妍的样子，赶紧带她离开现场，却被记者追问，宋安妍受不了差点昏迷，但她坚持还想验尸，去安莉下葬地方时，看到林小美。
刘志明拦住安莉家属的车，不同意他们下葬。林小美向安莉家属下跪，认为自己没有保护好安莉，她坚持认为法医能找出真相，认为安莉绝对不可能是自杀。安莉父亲很气愤，认为法庭都已经做出判决，律师拿出林小美向安莉扇巴掌的视频。
宋安妍请求安莉父亲，再给她一次机会，她一定会找出安莉死亡真相。刘志明了解到，林小美是安莉在学校唯一的朋友，安莉生前成为首席管时，出现压力大的情况，校长让她服药。
宋安妍正准备尸检，关警官等人闯入研究所，强行要带走安莉尸体，不准他们继续检查。质疑宋安妍的精神状况，认为法院都没有同意，而且此案已经了结。宋安妍护住安莉尸体，对李法医的检查结果不认可，杨竞风拿出报告，查到安莉身体有安非他命血液成分，可以重新报告上面，申请解剖尸体。
就在双方争执现场，宋安妍果断剖开安莉身体，发现安莉器官是橙色。周乐贤打开一则新闻，刚好有安莉学校的丑闻，学校经常拿“聪明药”给学生吃，学生爆料这种药物的实际成分就是安非他命，对生命有极大威胁。
杨竞风提醒刘志明，羊头杀手案子已破，让他没必要继续呆在宋安妍身边。刘志明纳闷，觉得杨竞风这个人很奇怪。刘志明找人查宋安妍经历，没想到看到她小时候照片，而照片熟悉的面庞，正是刘志明小时候的玩伴。
宋安妍很在意安莉的案子，她想知道刘志明是否查到，关于安莉左手上十字刻痕的事情。刘志明带她去餐厅，告诉宋安妍，自己学钢琴是为了小时候的伙伴。宋安妍知道刘志明在查她，刘志明直言，宋安妍为何不公布自己真名。
刘志明情绪激动，他认出面前的女孩就是宋安妍，但不明白她为何要用无名氏代替名字。他还知道，小时候这里发生的连环杀人案，凶手就会用十字刻痕，而每个受害者手上都有这种刻痕，包括宋安妍的妈妈。而更加奇怪的是，凶手正是宋安妍的法医父亲。
宋安妍不想解释，生气离开，留刘志明一人在餐厅。刘志明想起小时候，宋安妍帮自己出气，跟自己一起玩耍。但有一天放心，宋安妍被陌生人绑走，刘志明亲眼目睹，但没有勇气就她。这件事一直在刘志明心理耿耿于怀，他当时到处贴寻人广告，但还是没找到宋安妍。课堂上，老师问刘志明长大的梦想，刘志明想当好警察。
宋安妍来到安莉房间，想还愿她的经历。安莉经常产生幻觉，性情不稳，总是狂躁不安。有时候会打自己耳光，还会谱曲奇怪的歌曲，跟魔鬼做交换的曲子。
宋安妍肚子来到卫生间，想着安莉的事情。刘志明站在门口，自言自语说话。突然发现卫生间冒烟，他赶紧翻上去看，看到宋安妍倒在厕所里。
刘志明赶紧抱着宋安妍在平地上，给她人工呼吸，宋安妍才醒过来。鲁日华检查了马桶，发现里面有化学物质，似乎有人不希望宋安妍查安莉的案子。
刘志明问了通厕所的大爷，大爷说不知道此事，都是校长在安排，而且学校沸沸扬扬，都在传安莉尸体好像回来了。大爷带他们去安莉坠楼的草坪，刘志明挖出一堆猫毛。
安莉的同学担心事情揭穿，她们似乎毒了猫咪。刘志明找到口罩男，要查学生影片资料，他将安莉的同学带回警局审问，同学都很淡定，尤其当上首席双簧管的嘉琪。
宋安妍查到，安莉的双簧管上有硒，可能是中毒点，然后他们又取了林小美头发一根，检查出也存在硒，也是中毒，所以林小美不会是凶手，那个扇耳光的视频是真凶掩人耳目。宋安妍给林小美注射亚硝酸钠解读。
林小美似乎知道凶手，她希望等公演结束，刘志明很气愤，他查找十字纹刻痕真凶很久，当初他就是差点让最在乎的人出事。林小美透露出一点，表演对那些嘉琪等人来说就是生命。嘉琪和另外两人准备上台表演，三人发现各自哨片被调换，都认为是对方给自己下毒。