Сюжет разворачивается в штате Луизиана и представлен в двух временных линиях. В 1995 году детективы полиции штата Растин «Раст» Коул (Мэттью Макконахи), угрюмый пессимист-философ с трагическим прошлым, и его напарник Мартин "Марти" Харт (Вуди Харрельсон), семьянин и прагматик, расследуют загадочное ритуальное убийство бывшей проститутки, найденной привязанной к дереву в поле с оленьими рогами на голове. Это дело, полное оккультных символов, глубоко влияет на их жизни и партнёрство. В 2012 году, когда детективы давно не работают вместе, их снова вызывают для допроса, так как всплывают новые обстоятельства, связанные со старым убийством…
Действие переносится в вымышленный промышленный город Винчи в Калифорнии. Идёт расследование убийства чиновника Бена Каспера, тело которого было найдено на шоссе, связанного с проектом высокоскоростной железной дороги. В расследование оказываются вовлечены три совершенно разных представителя правоохранительных органов: детектив Рэй Велкоро (Колин Фаррелл) с тёмным прошлым, сержант Ани Беззеридес (Рэйчел Макадамс) из отдела по сексуальным преступлениям и патрульный Пол Вудро (Тейлор Китч), ветеран войны. Более того, криминальный авторитет Фрэнк Семьон (Винс Вон), потерявший миллионы долларов из-за гибели Каспера, начинает своё собственное расследование…
Мы видим несколько временных линий (1980, 1990 и 2015 годы) в горах Озарк, штат Арканзас. Пожилой детектив полиции штата Уэйн Хэйс (Махершала Али) и его напарник Роланд Уэст (Стивен Дорфф) расследуют исчезновение двоих детей – мальчика Уилла и его сестры Джули Перселл. Дело, начавшееся в 1980 году с трагической находки и поисков второго ребенка, оказывается переоткрыто десять лет спустя из-за новых улик и отпечатков пальцев. А в 2015 году уже пожилой Уэйн Хэйс, который пишет мемуары о своей работе, дает интервью съемочной группе документального фильма о "деле Перселлов", вспоминая давно забытые детали и пытаясь, наконец, понять, что же произошло на самом деле, пока уходящая память окончательно его не подвела.
В вымышленном городе Эннис на Аляске – долгая полярная ночь. Шесть мужчин, работавших на арктической исследовательской станции, бесследно исчезают, а вскоре коллеги находят их тела, буквально вмороженные в лёд в причудливой композиции. За расследование берутся шеф местной полиции Лиз Дэнверс (Джоди Фостер) и патрульная Эванджелин Наварро (Кали Рейс), между которыми существует давняя напряжённость, связанная с предыдущим нераскрытым убийством активистки-аборигенки. «Дело Дятлова» на американский лад погружает городок во мрак и безумие…