Mikael Blomkvist (Daniel Craig), đồng sáng lập và sở hữu tạp chí Millenium, bị kết án vì tội vu khống trùm tài phiệt Hans-Erik Wennerström. Trong khi đó, Lisbeth Salander (Rooney Mara), một điều tra viên đồng thời là hacker, nhận nhiệm vụ điều tra lý lịch của Blomkvist cho cựu lãnh đạo tập đoàn Vanger, Henrik Vanger (Christopher Plummer).

Blomkvist sau đó được Henrik Vanger thuê tìm hiểu về bí ẩn vụ mất tích, rất có thể là mưu sát, cháu gái của ông là Harriet Vanger 40 về trước. Đổi lại, Blomkvist nhận được một số tiền rất lớn cùng lời hứa về những thông tin quan trọng về hoạt động mờ ám của Wennerström. Trong khi điều tra, anh tìm được một quyển sổ ghi chép những thông tin liên quan đến vụ mất tích của Harriet.

Salander, vốn là một người chịu chế độ quản thúc của nhà nước vì quá khứ tội lỗi của cô, được chỉ định một người giám hộ mới, Nils Bjurman, thay cho người giám hộ cũ đang bị đột quỵ. Bjurman cố ý kiểm soát hết tài chính của Salander, cưỡng bức cô và buộc cô phải tuân theo lời hắn. Salander trả thù Bjurman bằng cách tra tấn hắn, ghi hình lại tội lỗi hắn làm với cô để tống tiền hắn, qua đó giành lại quyền kiểm soát cuộc sống của cô.

Được sự giới thiệu của luật sư Dirch Frode của gia đình Vanger, Blomkvist tìm đến Salander, nhờ cô giúp khám phá bí mật từ quyển sổ. Nhờ gợi ý vô tình của con gái Blomkvist, cả hai đã tìm ra manh mối liên quan đến một loạt vụ giết người trong khoảng thời gian 1940-1960. Các đầu mối dẫn đến kết luận tên sát nhân có liên quan đến tập đoàn Vanger, hiện nay do Martin Vanger, cháu trai của Henrik điều hành. Trong quá trình điều tra, Blomkvist và Salander trở thành tình nhân.

Nghi ngờ Martin, Blomkvist đột nhập vào nhà hắn để tìm kiếm thêm chứng cứ. Martin bắt được Blomkvist, lộ nguyên hình là kẻ giết người hàng loạt nhưng hắn phủ nhận có dính dáng đến vụ mất tích của em gái Harriet. Slander kịp thời đến và cứu Blomkvist trước khi bị Martin giết. Martin bỏ trốn, nhưng ngay sau đó gặp tai nạn trên đường và thiệt mạng.

Blomkvist khám phá rằng Harriet còn sống, dưới nhân thân của người chị họ Anita. Blomkvist tìm đến Harriet, nghe cô kể về thời thơ ấu bị lạm dùng tình dục bởi cha ruột và anh trai Martin và khuyên cô trở về đoàn tụ với người bác rất yêu thương cô Henrik.

Sau khi hoàn thành nhiệm vụ với Henrik Vanger, Blomkvist nhận được một bộ hồ sơ không có nhiều thông tin giá trị về Wennerström. Salander liền giúp anh bằng cách xâm nhập vào máy tính của Wennerström, lấy thông tin về các hoạt động bất hợp pháp của hắn cho Blomkvist. Nhờ nguồn thông tin này, tạp chí Millenium của Blomkvist vùng dậy giáng đòn chí mạng vào đế chế Wennerström.

Salander cũng thao túng toàn bộ tài khoản ngân hàng của Wennerström và chuyển 2 tỉ euro vào tài khoản của cô mà không để lại dấu vết gì. Wennerström sau đó bị giết khi đang chạy trốn pháp luật. Trên đường tặng quà Giáng Sinh cho Blomkvist, Salander thấy anh và Erika, đồng nghiệp tại toà soạn và cũng là người tình lâu năm, đang sánh bước bên nhau. Cô giận dữ vứt món quà được chuẩn bị kĩ lưỡng vào sọt rác và phóng xe máy ra đi.