一切都由一本科幻小说引起。小说家杨匡(刘兆铭 饰)的科幻小说里描述了一种改造新人类的方法,那就是抽取人类的脑细胞,加以改造,以此甚至能控制被改造者的思想。这一切看似荒诞的想法,竟被一个阴谋控制全世界的富商看中。他出资建立了实验室,招募了一批手下,将杨匡捉了去做实验。后来,杨匡逃了出来,被人送到医院。医生原振侠(黎明 饰)武功高强,为人正义,他发现杨匡十分沉默寡言,目光呆滞,经常用水清洗双手。杨匡的反常的表现引起了原振侠的注意,他和护士彩云(朱茵 饰)决心找出杨匡背后隐藏的秘密。
1992年,哈尔滨731陈列馆工作人员小金在整理史料时,发现这段历史的记录残缺不全,为寻找真相,他踏上了一场跨越数十年的跨国取证之旅,逐渐还原出那段被尘封的黑暗岁月真相。故事采取双时间线叙事,镜头回到日军侵华期间的哈尔滨,通过几个当事人的视角,深刻揭露日军731部队残酷的人体实验和泯灭人性的暴行,鞭笞日本军国主义的反人类本质,凸显中国人民坚韧的抗争精神。