En una zanja de los bosques de la pequeña ciudad costera de San Benito en California aparece el cuerpo de una joven. SANDRA BULLOCK interpreta a Cassie Mayweather, la veterana detective de homicidios y especialista en escenarios de crímenes que ha sido asignada al caso junto con su nuevo compañero Sam Kennedy (BEN CHAPLIN).

Los dos detectives se abren camino a través de unos microscópicos indicios de pruebas, que parecen indicar un acto de violencia fortuito, pero Cassie tiene la corazonada de que en este asesinato hay más de lo que parece a simple vista. Algo en este caso le recuerda su pasado exactamente en el momento en que le piden que comparezca en una vista relacionada con la libertad condicional en un viejo caso policial. Estos hechos obligan a Cassie a revivir el pasado.

Cassie se entrega en cuerpo y alma a la solución del misterio. Se centra con determinación en la recopilación y el análisis de las pruebas disponibles y elabora meticulosamente una imagen del asesino a partir de las escasas pistas dejadas en el escenario del crimen. Su nuevo compañero Sam es inteligente y entusiasta. Su paciencia y su bondad innata complementan la aguda inteligencia y la mordacidad de Cassie. Parece contento de tener una brillante mentora en Cassie y está dispuesto a pasar por alto su problemática historia con sus compañeros.

Las pruebas conducen a los dos detectives a un joven llamado Richard Haywood (RYAN GOSLING), cuyas especiales botas (que denunció que le habían robado de su taquilla) pueden haber sido usadas por el asesino en el escenario del crimen. Richard se muestra muy dispuesto a colaborar y tiene una coartada a toda prueba. Cassie y Richard congenian tan bien que hace que Cassie se sienta nerviosa. Sospecha que en la historia de Richard hay algo oculto bajo su aparente despreocupación.

Después de conocer a Richard, Cassie y Sam comienzan a ver las pruebas de modo diferente. Sam continúa elaborando una imagen compuesta por todos los elementos microscópicos dejados por el asesino. Cassie, cosa rara en ella, parece basarse en instintos, corazonadas y fantasmas de su pasado. Mezcla todos esos elementos en una teoría muy inquietante según la cual Richard Haywood y su amigo secreto, Justin Pendleton (MICHAEL PITT), se unieron para cometer un crimen perfecto. Su creencia en esa teoría la aleja de Sam y al final pone en peligro su autoridad en el trabajo.