作爲亞洲金融中心的香港被稱作「最安全的城市」，豈料警局接到一通匿名電話，對方聲稱劫持了警隊的一輛前線衝鋒車以及車內的五名警員和武器裝備。此次事件引起了香港警隊高層的高度重視，適逢處長（王敏德 飾）出訪國外，此時由鷹派人物行動副處長李文彬（梁家輝 飾）與年輕的管理副處長劉傑輝（郭富城 飾）一起負責這次案件，並將行動命名爲「寒戰」，李文彬任總指揮。李文彬的兒子（彭于晏 飾）也是人質之一，劉傑輝因此對李文彬父子產生懷疑。與此同時，匪徒展開了進一步行動：警察被殺、爆炸案頻發……到底是誰在將整個警隊玩弄於鼓掌之中？香港真的是「最安全的城市」嗎？