电影24小时在一次离奇的案件行动中，警察马进（谢霆锋 饰）击毙连环杀手“将军”（高伟光 饰），却被对方射穿心脏，命悬一线，意外之下接受了心脏移植手术。时隔一年半，国际上惊现数宗与“将军”作案手法完全一致的惊天大案，康复后的马进主动请缨，与犯罪心理学教授车家伟（刘青云 饰）联手展开调查。随着案情深入，马进发现了车教授身上藏有鲜为人知的秘密，车教授对“换心”后的马进也产生了特别的兴趣。在二人互相试探、智斗暗涌的过程中，马进妻子莫秀（范晓萱 饰）与神秘女子陈相茹（佟丽娅 饰）也逐渐卷入事件，一场危及全港百万人生命的大战悄然引爆……