幻影追凶讲述了安娜（米拉·乔沃维奇 Milla Jovovich 饰）意外目睹一场凶杀案的故事。她被歹徒发现后遭到追杀，混乱搏斗中受伤坠入河里，侥幸逃过一劫，也因此成为唯一见过凶手真容的幸存目击者。警方希望从她的证词中找到侦破连环杀人案的关键。
一周后，安娜从昏迷中醒来，却发现眼前每一张脸都在不断变化，她无法辨认身边的人，甚至认不出自己的男友和父亲。原来，脑部受伤使她患上了人面失认症，也就是人们常说的脸盲症。得知这一秘密后，凶手开始用各种方式试探和挑衅安娜，让她始终感觉危险近在咫尺。
在确认安娜只能依靠衣服颜色、领带样式等细节辨认他人后，凶手换上安娜前男友的衣服和领带，企图将她骗到偏僻处杀害。然而，一个细微的疏漏令安娜察觉到眼前的男人并非自己的前男友，而是一直追杀她的凶手。安娜及时报警，警方赶来展开营救。经过一番生死搏斗，凶手最终被警方抓捕归案。
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