该片讲述的是未入朝堂前的青年狄仁杰在恋人公孙玉和好友杨卢的帮助下，通过案件调查抽丝剥茧，智破长安城中“庆忌”小妖杀人案，以及勇保家国社稷和黎民百姓的故事。

故事发生在上世纪九十年代初期，顾铭（于和伟饰）受公安分局局长吴建南（要武饰）的破格提拔，成为了刑警队长，新官上任三把火，顾铭喊出了“命案必破，不破不休”的口号，并且在之后的工作生涯中一直贯彻着这个信念。然而，刚刚上任没多久，市里就发生了一起恶劣的凶杀案，面对这既没有证据亦没有线索的案件，调查陷入了僵局之中，最终，顾铭认输了。时间匆匆流逝，顾铭凭借着自己的努力一直奋战在第一线，破获过无数千奇百怪、扑朔迷离的疑难杂案，十五年后，当曾经让他败北的凶杀案的相关线索再度浮出水面之时，顾铭知道，这是他雪耻的最后机会。

李明（李治廷饰）是一位撩妹高手，面对眼前的莺莺燕燕，李明虽然从来都不动真心，但总能够轻而易举就获得她们的芳心。很快，李明便从自己的这项技能中发现了商机，伙同女友觅觅（吴昕饰）等四名好友，李明走上了情感诈骗的道路。然而一场意外的发生让李明马失前蹄，觅觅亦因此身陷险境。为了拯救觅觅，李明不得不前往云南去寻找一位名叫阿隆（黄龄饰）的女子，阿隆的手中，掌握着找到觅觅下落的关键线索。面对高冷的阿隆，李明施展出了一系列惯用伎俩，哪知道统统不奏效，被阿隆四两拨千斤般的一一化解。在两人“博弈”的过程中，李明渐渐开始明白感情的真谛。

十二年前，几桩杀人案轰动了全市，被害者均为社会底层，尸体均在荒废偏僻处被发现。据推测凶手可能是同一人，但由于其极为狡猾，案情一时非常棘手。刑警通过不懈的调查取证，逐步确认了主要嫌疑犯，刑警凌斌在与女儿凌然的一次会面的路上，对疑犯进行了追捕，最终因公殉职。十二年后，凌斌的女儿凌然（余男饰）在刑警支队技术科的测谎中心工作，她利用测谎技术成功破了几个大案而小有名气。刑警支队重案组组长陈虎（邢家栋饰）与她搭档，两人虽在刑侦破案方面有着不同理念，却也颇有默契，疑案却接连发生……

公安系统布下了宏大的天罗地网般的监控系统——“天网”工程。在杜局长领导下，公安刑警们抒写着属于自己的别样风采：公而忘私的严丽，热情聪敏的夏凡，深沉睿智的徐磊，幽默风趣的周伟，他们以坚定的信仰，抽丝剥茧地侦破一件件扑朔迷离、悬念迭起的大案——伸向刑警队长之子的复仇之手、杀人栽赃一箭双雕的计中计、嫌疑人不在场的汽车爆炸情杀案、国宝斗彩鸡缸杯被盗案、银行运钞车被劫案等等。在逃亡与追捕、热血与枪声中，刑警们与犯罪分子斗智斗勇，托住永不倾斜的正义的天平。同时，他们的感情生活也波澜迭起：严丽的婚姻危机，周伟和的隐婚风波，夏凡对徐磊的深情、徐磊的逃避以及他自闭女儿晶晶身上埋藏多年的秘密。当一切真相大白，便可知不管犯罪分子如何猖狂，始终有英勇刑警守望在天网中央，匡扶正义，庇护一方。