《双瞳》讲述了台北警官黄火土（梁家辉）的困境。两年前，他因揭发同僚贪污而遭上级报复，被调往冷门的外事组；一名利益曾因此受损的新同事也对他恶言相向。与此同时，妻子清芳（刘若英）无法忍受他长期不归，提出离婚。事业与家庭接连受挫，让黄火土感到自己的生活正在逐渐崩裂。
此时，台湾接连发生三宗震惊社会的离奇命案，三名受害者彼此毫无关联。法医（杨贵媚）验尸后发现，他们都是因一种神秘黑霉菌产生幻觉，最终死亡。由于国内缺乏相关案件的侦办人才，当局从美国请来专家凯文·莱特（David Morse）协助调查，黄火土也因此重新被启用。随着一个令人瞠目结舌的事实浮出水面，黄火土与办案伙伴李丰博（戴立忍）以及整个警察队伍，被卷入一场关乎政治利益与民众利益的激烈斗争。
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