香港证券商人罗敏生（刘青云 饰）驱车上班途中遭遇车祸，这起看似平平常常的车祸却引来反恐队的关注。原来警方在罗的车内发现军用窃听器，反恐队长何智强（古天乐 饰）怀疑有人正在策划恐怖袭击。随着何的调查，始终藏在暗处监视窃听的退伍军人司马念祖（吴彦祖 饰）也渐渐浮出水面。与此同时，罗将被窃听的消息告诉了“地主会”的元老们，这是一群自70年代起便操纵香港金融的业界精英，如今更成为只手遮天的抢钱大亨。地主会遭人窃听，无疑预示着他们的各种黑幕将大白于天下。 原以为只会是普通的勒索案，却将罗、何、司马等人卷入了万劫不复的漩涡之中……

作为亚洲金融中心的香港被称作“最安全的城市”，岂料警局接到一通匿名电话，对方声称劫持了警队的一辆前线冲锋车以及车内的五名警员和武器装备。此次事件引起了香港警队高层的高度重视，适逢处长（王敏德 饰）出访国外，此时由鹰派人物行动副处长李文彬（梁家辉 饰）与年轻的管理副处长刘杰辉（郭富城 饰）一起负责这次案件，并将行动命名为“寒战”，李文彬任总指挥。李文彬的儿子（彭于晏 饰）也是人质之一，刘杰辉因此对李文彬父子产生怀疑。与此同时，匪徒展开了进一步行动：警察被杀、爆炸案频发……到底是谁在将整个警队玩弄于鼓掌之中？香港真的是“最安全的城市”吗？