《月满抱西环》讲述了西区警局一群警员各自面对感情与生活困境的故事。阿杰（张智霖饰）是一名事业有成的杰出督察，却因长期冷落妻子（陈敏之饰），发现两人的婚姻中出现了第三者，妻子也坚持提出离婚。性格大大咧咧的警花Moon（佘诗曼饰）同样情路失意，遭到男友嫌弃。两个失意的人在相互倾诉中逐渐产生感情，却碍于职位和身份的关系，始终没有进一步发展。
与阿杰共事的阿雄（蔡一杰饰）独自抚养年幼的女儿琪琪；尽忠职守的军装警察Sam（郑中基饰）暗恋着另一名女警；即将退休的张叔，多年来一边工作，一边照料植物人妻子。谈判专家阿基（苏永康饰）则因为与女友Creamy（姚乐怡饰）缺乏沟通，彼此的分歧日益加深。一次行动中，Moon遭到狂徒挟持，正为感情烦恼的阿基谈判失利，阿杰于是奋不顾身，将Moon救了回来。
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