影片以一起预备杀人案为起因，在调查的过程中发现这些预备杀人案的参与者多为诸多案件受害者家属。由于警方调查有误，让凶手逍遥法外，甚至导致部分警察枉死。

而他们找到杀手的线索则是从李俊（刘青云饰）精神分裂后被警局开除，以天桥下一处地方为办案地点，在桥墩上、地上写出的线索。

在“神探”组织中，其中就有“屠夫案”（凶手杀死29名女子，后故意伪造现场，以5具尸体诬陷警察，导致该警察最后被冤枉杀害），以及“魔警案”（凶手杀死三名警察后，布置现场诬陷警察杀死同僚）的受害者家属。

李俊在营救欧阳剑的过程中，碰到了同为神探的警官陈仪（蔡卓妍饰），她是曾经屠夫案的受害者之一，也是唯一侥幸逃脱的一位。

在陈仪的帮助下，真相逐渐浮出水面，陈仪的同为警官的丈夫方礼信（林峯饰），因幼时遭遇虐待逐渐成为精神变态。

影片，结尾给了一个开放式的结局，李俊在重新入职警局后，重新翻看案件时，其中一个是“神探醉心查案，妻子抑郁割腕”，而画面一转，李俊的影子中出现了方礼信，这又是在暗示着什么呢？难道李俊的妻子死亡另有原因吗？

《神探大战》全员实力派，刘青云、林峯、蔡卓妍，在演绎角色时，很显然他们也把自己代入其中，每个人的眼神中都是情绪。

尤其是在结尾指出方礼信就是真正的魔警和屠夫后，李俊（刘青云饰）人格分裂，再次想象出的怪物时，他问陈仪“你看见怪物了吗？”。

陈仪望向倒地的方礼信，那一刻她明白怪物其实就是案件背后的黑恶，所以她答到：看见了。

李俊在听到的那一刻，没有过多的话语，但是他的眼神却透露出惊讶、辛酸和被人明白的激动以及终于有人能理解他，可以和他一起并肩而行找出的黑恶的宽慰。