1975年五月份，在熱鬧的游樂場里，很多家長帶著自己的孩子在歡慶兒童節。小男孩宋霞永和母親也在湖上劃船，突然他的氣球由于旁邊船只的撞擊而飛了出去。霞永想拿回自己的氣球，往船邊去探，卻失足掉入了湖中。在湖中，霞永看到了穿著紅衣的女尸，剛想要抓住女尸，霞永便被救上了岸。女尸的發現引來了警察，警察帶走了女尸，看到女尸未被蓋住的腳，霞永貼心的為她蓋住。
1998年三月，霞永已經成為了一名警察，正在和同事潛伏引出連環入戶強J以及搶劫的犯罪分子，這件案子被稱之為紅帽子案件。四月的天氣仍然下著雪，凌晨三點的同事由于受不了寒冷的天氣，都匆忙回家去了。霞永一個人走在街道上，發現一個戴著小紅帽的男子在街上游蕩，還爬向別人家的窗戶。霞永和男子正面對峙，兩人在街道上扭打了起來。男子不敵霞永，被押送到了警察局。可是男子并不是小紅帽事件的罪犯，而是該犯罪事件的模仿者。
一名孕婦在做完孕檢之后乘坐公共汽車回家，身后一直有個戴著紅帽的男子跟隨。孕婦淋雨回到家中，送走了來送小菜的母親，因為一些小事和男朋友爭吵起來，隨后便在家中被人脫光衣服并且殘忍殺害。
霞永來到犯罪現場，和同事們對現場進行取證，隨后來到醫院看望死者的母親。霞永回到家中睡下，腦海中閃過小時候見過的紅衣女尸和孕婦死者的模樣，于是從夢中驚醒。通過對尸體進行檢查，發現死者生前未被性侵，警察將嫌疑犯鎖定了死者的男朋友房基勛。房基勛否認自己是殺人兇手，卻沒有不在場證明，房中的杯子上也有他的指紋。霞永在警察局里進行案件的調查，卻發現上司在對房基勛進行毆打，霞永對事情進行了制止，并告知這樣的供訴沒有法律效力，兩人因此發生了不和。
霞永回到了案發現場，對現場進行了進一步的查看，在室外墻壁上發現了三位數字，隨后霞永在很多家門口都發現了類似的數字，1代表男子，2代表女子，3代表孩子。犯罪分子能了解如果多家庭的狀況，霞永認為犯罪分子的職業應該是外賣員。第二天早上，警察抓到了稱自己是連環殺人犯的犯罪分子，霞永找到了房基勛不是兇手的可能性，想要替房基勛說話，可上司認定房基勛是兇手，并屈打成招逼迫房基勛畫押。
霞永去找死者的母親打聽情況，發現死者向母親隱瞞了男朋友和已經懷孕的事情。霞永從醫院出來之后給股長打了一通電話，想要幫忙重新鑒定一下犯罪現場，股長通過鑒定發現，有可能兇手已經藏在了家中，并對兇手可能隱藏的地方進行了指紋取證。上司發現霞永還在調查這個案子，兩人大吵一架。股長覺得霞永具備側寫師所具備的一切素質，送給霞永一本心靈獵手讓他學習。
上司為了趕緊結案，逼迫房基勛認罪伏法，被判處了12年有期徒刑。看到整過程的霞永，也沒有能力去證明房基勛的清白，只好就此作罷。
1999年8月，一個男孩在送完外賣之后戴上紅色帽子，跟蹤一名年輕女子回家將女子殘忍殺死并脫掉女子的衣物。
霞永好幾次開車來到監獄想要探視紅帽子案件嫌疑人楊永哲，卻一直遭到拒絕。經過獄警的好心提醒，霞永在探視時付了領置金，成功探視了楊永哲。霞永詢問他是如何發現房基勛不是兇手，楊永哲認為殺人之后再將衣服脫光是殺過人的人才能做出的事情，如果是因為生氣殺人，就不會脫掉衣服。罪犯之所以要殺人之后脫掉衣服，是因為自身的習性。所以只有擁有這種習性的人，才能是真正的罪犯。
霞永回到警局和上司說出了自己的想法，霞永認為最近發生的案件和去年的案件應該是一人所為，想要重新調查，卻遭到了上司的拒絕。霞永來到犯罪現場進行調查，發現門沒有撬開的痕跡，墻上也沒有數字標識。隨后霞永來到附近派出所，警員稱最近出現很多戴紅帽的，霞永找到那些戴紅帽子的，發現他們的帽子都是撿的。
霞永再次找到了楊永哲分析紅帽子案件，楊永哲認為罪犯一定有心理上的疾病。回到警局，上司對于霞永與楊永哲見面并給付領置金的事情表示不滿，可霞永認為楊永哲的分析是正確的。無論上司如何打壓，仍然改變不了霞永想要抓到罪犯的決心。罪犯有性方面的心理陰影，私闖民宅，還有盜竊的前科，罪犯是外賣快遞員，這是霞永目前所知的罪犯全部信息。經過這些信息，霞永將罪犯的范圍進行了縮小。
霞永和同事挨家挨戶上門調查，詢問可能犯罪者的不在場證明。但是調查一天之后，卻仍然毫無收獲。霞永只好去找楊永哲，可楊永哲卻變本加厲提出不合理要求，看到霞永不答應還想要離開，楊永哲只好放棄自己的要求，幫助霞永尋找出兇手。
警局里一個男子抓住一個男孩，聲稱男孩拿著兇器在撬自己家的門鎖，屬于殺人未遂。經過詢問，男孩名叫趙強模，18歲，有犯罪前科。霞永發現趙強模的頭發有被帽子壓的痕跡，而且會拿剪刀撬開門鎖，覺得趙強模很有可能是紅帽子案件的罪犯。霞永讓同事將趙強模的剪刀拿出提取指紋，想要做出進一步的調查。霞永和趙強模進行交流，一步一步套著趙強模的話，對他進行心理上的施壓。霞永讓趙強模寫下數字，發現與死者門上的數字字跡相同。看到霞永擺出的數字照片以及死者照片，趙強模顯得十分不安，霞永也確定了趙強模就是紅帽子案件的兇手。
趙強模說起自己童年時期的事情，赤身的母親總是被父親家暴，并且還不還手，趙強模討厭如此的母親，于是犯下了這兩起殺人案件。案件的真相終于公之于眾，也還了那些未犯罪人的清白。
霞永想起趙強模和楊永哲犯罪的原因，對側寫師的工作多了一些感觸。案件的真相大白于天下，房基勛被警察強壓調查并且誘導進行虛假自白的事情也引起了公眾的關心，市民去警察廳門口進行強烈抗議，要求警察局給房基勛道歉。班長害怕事情對自己不利，將楊永哲和霞永之間的關系公之于眾，轉移公眾的注意力。
股長仍然在為成立犯罪行動分析組進行努力，而這一想法也得到了廳長的支持。霞永來到房基勛的攤子上吃面，房基勛感謝霞永找到了真兇，為自己證明。股長找到了霞永，想要霞永加入自己的犯罪行動分析組，這樣既為警察廳找到解決輿論的辦法，又可以為解決案件提供了一個方法。霞永離開了自己的工作崗位，來到了犯罪行動分析組。
2000年5月正值賞櫻花的時節，女孩一個人在玩耍，因為一個冰激凌和陌生的叔叔回家，房屋里傳出了小女孩的凄慘叫聲。
2000年五月，統計分析官鄭宇宙被派遣到犯罪行動分析組，正巧遇到國英秀和霞永出門辦事，只留鄭宇宙一人在犯罪行動分析組。
一對父母帶著年幼的兒子前來報案，聲稱自己的女兒秀賢已經失蹤一周，警察登記了失蹤人口信息，讓父母回家等候消息。國英秀和霞永來到監獄審問情婦碎尸案的兇手張德浩，想了解案件的情況以及犯罪者當時的心理。剛開始張德浩并不配合，霞永使用激將法使張德浩說出當年的案件。霞永說張德浩把尸體分成了23塊，張德浩激動的說是24塊，最后一塊是情婦的舌頭。說完之后便急著離開，審問也就此結束了。
霞永和國英秀出來之后，心情壓抑前去泡溫泉，卻突然想起把新人一人留在了辦公室。國英秀打電話給鄭宇宙，發現鄭宇宙仍然在等他，于是急忙讓鄭宇宙下班。
在昌義洞住宅巷子里，72歲收廢品老人李春英在垃圾桶里發現了幾塊尸體。住在附近的新聞記者將此事迅速傳播，而這些尸塊正是被報失蹤的五歲女孩李秀賢。
第二天早上，犯罪行動分析組的三人正式集合完畢，同時為鄭宇宙置辦了工位。霞永詢問鄭宇宙為何加入犯罪行動分析組，鄭宇宙卻說是因為有范，霞永給鄭宇宙講述了自己來到分析組的原因。國英秀前去索要犯罪報告未果，國英秀和霞永只好前去機搜隊2組組長尹泰具那尋找，卻遭到了尹泰具的拒絕，兩人只好回去。
國英秀心有不甘，前去尋找自己原來的后輩尋找一些線索。后輩將自己所知告訴了國英秀，尸體是經過冷凍后切割，利落的切口，還詢問后輩找到了一些現場的照片，并將其打印了出來。霞永在聽張德浩審問的錄音時，發現了一些不明白的地方，于是前去監獄重新進行了一次審問。霞永三人認為兇手應該曾經在精肉店或者屠宰場工作過，并將自己所認為的故意透露給尹泰具，引導尹泰具前去進行搜查。
霞永前去尋找尹泰具，告知兇手不具有精神疾病，可是尹泰具卻覺得霞永在干擾自己工作，希望霞永做好自己分內的事情。
案件發生已經過去了28天，案件卻沒有毫無進展。面對記者的提問，機搜隊隊長只好敷衍記者的問題。由于國秀榮發現了尸體有被冰箱擠壓的痕跡以及機搜隊隊長的幫助，尹泰具決定讓犯罪行動分析組加入案件的破解。
通過新發現，國秀榮和霞永在一個老師傅那了解到冰箱是1988年生產的，需要去大成總公司尋找這型號的冰箱。兩人在回去的路上，打電話告知尹泰具發現了冰箱型號，卻意外得知新的尸塊出現在了一家旅店。兩人緊隨警車趕到了旅館，先后進入了犯罪現場，在旅館房間的床下發現了女孩失蹤時所穿衣物被平整的疊好。
尹泰具向機搜組的隊長尋求人力幫助，組長說這已經是全部的人力，讓她去分析組尋找幫助。霞永通過自己的了解寫下了側寫報告書，希望機搜隊可以一起進行破案。通過報告書的講解，機搜隊同意與分析組非正式合作找出兇手，但只能通過隱秘的方式進行。
機搜隊和分析組決定從30年代到40年代的獨居男人的名單中尋找兇手，發現有四個男人被漏掉了，于是決定分頭行動。霞永到達分配給自己的地方，發現這與自己推理的罪犯特征完全吻合，于是打電話告訴尹泰具共同行動。