檀健次饰演的天才画家沈翊，可以三岁画老。七年前，北江公安局办案大队雷队长（王骁 饰）正在追查一宗美容院妇女被拐卖案，不幸被罪犯杀害。
雷队被杀
当时，一个神秘女人拿着一张小孩的照片，让沈翊画出小孩35岁的样子，画出来的正好是雷队。罪犯凭着这张画像找到了雷队将其杀死。然后又要除掉沈翊，一脚把他踢进水里想淹死他，沈翊大难不死，但丧失了部分记忆。
神秘女人让沈毅画出的雷队的样子
醒来的沈翊十分愧疚，虽然他并不知情，但结果确实是因为他的画害死了一名警察。他决定不再搞艺术，而是去警察学校教学，他烧掉了自己所有的画作，当时这些画作已经是价值不菲。
沈毅放弃艺术之路
七年后，张局调沈翊到局里，借其出色的画功来协助警方办案。现任办案队的队长杜城（原是雷队的下属，与雷队关系十分好）始终没有放弃寻找杀害雷队的凶手，且一直认为是沈翊害死了自己师傅雷队，因此对沈翊充满敌意。
杜城逼沈毅画出神秘女子画像
杜城逼着沈翊画那个神秘女人的画像，沈翊却怎么也想不起来了。相处一段时间后，两人渐渐消除敌意，开始通力合作。接连破获了整形医生被杀案、女学生自杀案、骗婚杀人案、被顶替上大学报复杀人案、珠宝抢劫案、朋友聚会轮奸案、AI换脸电信诈骗案等。
《猎罪图鉴》系列案件犯罪嫌疑人
其中在破获珠宝抢劫案时，发现主犯贺红竟然是七年前那场美容院妇女拐卖案的M组织核心成员，她很有可能是沈翊记忆力一直想不起来的神秘女人。
GM组织核心成员贺红
就在办案队认为马上就可以抓到凶手为雷队报仇时，贺红却突然惨死，线索再次中断，杜城当场崩溃。后在沈翊整理贺红留下的遗物时，发现一封遗书，才知晓原来幕后黑手是秦海璐饰演的张局，当年也是张局把雷队童年的照片给了罪犯。杜城亲自带队去抓张局，张局畏罪自杀。
贺红惨死杜城崩溃
其实从前面的剧情多少可以找出一些蛛丝马迹来推断出张局就是幕后黑手。如：
首先，是张局把沈翊调来办案队，沈翊一报道，张局就再三向沈翊确认有没有画出那个神秘女人的画像，沈翊说没有，张局松了口气。
其次，张局知道沈翊终有一天会想起来，所以把他调来自己眼皮子底下，一是监视，二是寻机除掉。明知道杜城恨沈翊，俩人不对付，还硬把他俩安排在一个办案队，估计是想借杜城的手除掉沈翊。
张局让杜城跟沈毅组队
再者，在珠宝抢劫案中，张局明知劫匪心狠手辣，而且身上有枪，还命令从没拿过枪平时只拿画笔的沈翊持枪参战，这可能也是想借劫匪楚天启来除掉沈翊，永绝后患。
关于张局为什么杀雷队，有三种猜测：
一是张局与雷队从小就认识，受雇于某组织，为免身份泄露，杀掉雷队；
二是张局与雷队打小就熟识且有仇，张局为报仇，杀掉雷队；
三是雷队当年调查的案子与张局有关，阻碍了张局晋升发展，张局与拐卖妇女组织暂时合作，杀掉雷队，双双得利；
总之，《猎罪图鉴》抛开演员演技和一些情节设定，就片子里每个案件本身的部分内容还是可圈可点的，值得一看，有些警醒作用。