Bộ phim Hắc Dạ Cáo Bạch không chỉ là một vụ án mất tích thông thường, mà là câu chuyện dai dẳng suốt hơn 20 năm của cả một khu dân cư cũ, của những con người mang nợ với sự thật. Năm 1997, khu dân cư Nguyên Long vẫn còn là dãy nhà tập thể cũ nát, tường bong tróc, ngõ hẻm chỉ đủ cho một chiếc xe đạp lách qua. Mùa hè năm đó mưa dầm dề, côn trùng kêu rả rích suốt đêm. Hai cha con họ Từ—Từ Gia Hào, một người buôn đồ cổ nhỏ lẻ, và cậu con trai 7 tuổi Từ Tiểu Vũ—biến mất không một dấu vết vào đêm 13 tháng 7. Hôm đó hàng xóm còn nghe thấy tiếng cãi vã giữa Gia Hào và một người đàn ông lạ trước cửa nhà, tiếng gầm gừ của chó hoang từ bãi đất trống gần đó át đi mấy câu nói cuối. Sáng hôm sau, nồi cháo trắng trên bếp vẫn còn nóng, cặp sách của Tiểu Vũ để ngay ngưỡng cửa, nhưng hai cha con đã biến mất. Chỉ còn một vệt bùn dính trên khung cửa, và một mẩu vải đen rách nhỏ xíu mắc vào hàng rào thép gai. Khu dân cư rung chuyển vì tin tức, trẻ con bị mẹ dặn không được ra ngoài sau 8 giờ tối, người già thì thì thầm về "con quỷ đen" bắt người trong đêm tối. Cái tên Hắc Dạ Cáo Bạch cũng bắt đầu từ đó, là cách người dân Nguyên Long gọi vụ án này: tội ác xảy ra trong đêm đen, chỉ có lời thú tội mới kéo sự thật lên ánh sáng. Vụ án đầu tiên rơi vào tay lão cảnh sát Trương, người đã nghỉ hưu năm 2002 mà vẫn chưa tìm được manh mối nào. Ông trao lại tập hồ sơ dày cộm, mép giấy đã ố vàng cho Hà Viễn Hàng—cấp dưới tin cậy nhất của mình. Hà Viễn Hàng khi ấy 45 tuổi, chân trái bị tật từ một vụ đột kích ma túy năm 1993, mỗi tối đều ngồi uống trà ô long đậm, lật từng trang hồ sơ cũ. Ông thậm chí dán tấm ảnh tìm người của Tiểu Vũ lên tủ lạnh nhà mình, cạnh ảnh con gái Hà Hiểu Hà lúc nhỏ. Hiểu Hà và Tiểu Vũ từng là bạn chơi cùng, hai đứa hay trốn tìm dưới gốc cây bàng cổ thụ ở sân chung, có lần Tiểu Vũ trốn suốt một tiếng đồng hồ, Hiểu Hà khóc nức nở tưởng bạn bị bắt đi mất. Năm 2008, Nhiễm Phương Húc chuyển đến đội cảnh sát khu vực, vợ anh chính là hàng xóm cũ của nhà họ Từ. Chính chị ấy nhắc cho anh nhớ: Gia Hào trước khi mất từng nhận định một bức tượng Phật ngọc bị đánh cắp từ một cửa hàng cổ vật ở trung tâm, kẻ trộm đã đe dọa sẽ "xử lý" cả nhà ông nếu ông báo cảnh sát. Nhiễm Phương Húc là người đầu tiên kết nối vụ mất tích của hai cha con họ Từ với chuỗi trộm cắp đồ cổ liên tỉnh lúc bấy giờ, mở ra hướng điều tra mới. Anh cũng tìm được nhân chứng khẳng định đêm đó có một chiếc Santana đen đậu trước nhà họ Từ, biển số bị che khuất bằng bùn. Đến năm 2017, Hà Hiểu Hà tốt nghiệp học viện cảnh sát, kiên quyết xin vào đội án lạnh, chỉ để tiếp quản hồ sơ Hắc Dạ Cáo Bạch. Cô là thế hệ cảnh sát thứ ba dính vào vụ án này: lão Trương là thế hệ đầu, Hà Viễn Hàng và Nhiễm Phương Húc là thế hệ giữa, còn Hiểu Hà là lớp trẻ nhất. Cô số hóa toàn bộ hồ sơ giấy cũ, dùng công nghệ DNA mới để xét nghiệm mẩu tóc tìm thấy trên mẩu vải đen năm 1997—mẩu vật chứng đã được bảo quản cẩn thận trong kho chứng cứ suốt 20 năm. Cô cũng tìm ra chủ nhân chiếc Santana đen khi xưa là một chủ tiệm cầm đồ đã chết năm 2005, nhưng người con trai của hắn hiện đang điều hành một bãi phế liệu ở vùng biên giới, có hình xăm con rồng trên cổ y hệt như mô tả của nhân chứng. Ba thế hệ cảnh sát, từ lão Trương vẫn gọi điện hỏi thăm tình hình mỗi tháng một lần, đến Hà Viễn Hàng đã nửa đầu tóc bạc, đến Hiểu Hà vẫn thức trắng đêm đối chiếu dữ liệu, tất cả đều kiên trì truy tìm manh mối nhỏ nhặt nhất. Có lúc họ tưởng đã chạm tay vào sự thật, khi tìm được một phong bì đỏ rách có con dấu tiệm cầm đồ dính trong túi quần của Gia Hào (được hàng xóm tìm thấy vứt ở bãi rác sau nhà), có lúc lại rơi vào bế tắc khi nhân chứng duy nhất qua đời vì tai nạn. Nhưng không ai bỏ cuộc, vì với họ, Hắc Dạ Cáo Bạch không chỉ là một vụ án, mà là lời hứa với hai cha con họ Từ, với cả những người dân Nguyên Long đã sống trong bóng tối của nỗi sợ suốt hơn hai thập kỷ. Gần đây, Hiểu Hà nhận được tin báo từ vùng biên: người đàn ông có hình xăm rồng đang định trốn sang nước ngoài. Cả ba thế hệ cảnh sát lại tập hợp lại, chuyến đi này, họ tin rằng sẽ kéo được sự thật ra khỏi bóng đêm dài đằng đẵng của năm 1997.