章在山（劉德華飾）是洪繼鵬（姜武飾）犯罪集團內善於製作炸弹的臥底警察，一次包括在山、繼鵬和其胞弟洪繼標（王紫逸飾）在內的六名成員在夜間乘坐兩輛車持槍抢劫香港香島銀行金库，打死多名銀行保安並搶走大量現金。在受到警察追擊逃跑的路上，匪徒利用預先設置在逃跑路上的三輛的士汽车炸弹對警察造成較大的傷亡。由於在山的阻撓，同搭一輛車的繼標和另一名匪徒被警方抓獲，而在另一輛車的繼鵬等三位匪徒成功逃脫，自此繼鵬對出賣他的在山一直懷恨在心。
六個月後，在山已成為香港警務處爆炸品處理課的警司，是名專業的「拆彈專家」，爆炸品處理課警長阿斌（吳卓羲飾）為其主要助手。在一次去酒吧時在山認識一名叫李家雯（英文名Carmen）（宋佳飾）的年輕女子，通過調查和交談得知她是從中国大陆來港工作的小学教师，剛離異有半年時間，經過在山的追求兩人成為一對情侶。
在一個建築工地上發現一枚體型龐大的戰時空投炸彈，在山成功拆除引信。一年後在泰緬邊境，作為毒販押運武裝首領的繼鵬與香港萬眾集團主席閆國榮（廖啟智飾）約定，繼鵬收到5000萬的定金後會去香港紅磡海底隧道製造恐怖事件。在山接受警局表彰之夜，剛與在山和家雯道別後的周sir（黃日華飾）受到汽車炸彈襲擊而身亡。調查後發現這是現場近距離引爆的C4炸药，由於周sir是在山擔任臥底時的上司及聯絡人，在山懷疑這是繼鵬所為，目的是報復被出賣之仇。不久繼鵬在香港繁華大樓和法院旁邊，又先後設置兩顆定時炸彈—一枚水銀鍋炸彈和一枚簡易C4炸藥。在山首先身穿防爆衣採取低溫凝固的方式成功拆除水銀炸彈，之後手持簡易C4炸藥乘坐重案組總督察江耀偉（姜皓文飾）所駕的快車，將炸彈投入海中引爆。
在一個晚上，繼鵬帶領大批手下利用大型货车封鎖紅磡海底隧道的香港島和九龍南北兩個方向的出入口，隧道內的幾百輛車被困，車內的數百人成為匪徒的人质。其中包括一輛由香港導遊林俊（張繼聰飾）帶隊的旅游巴士，以及同乘一輛車的三名退休警察和一名退休警察的兒子，青年警察黃天諾（蔡瀚億飾）。匪徒將數百個人質的相片都上傳到一個名為「羅賓漢行動」的網站上，兩名隧道工程維護人員在向外逃跑時被匪徒開槍打倒一死一傷，耀偉和另一名警官開車作掩護救回傷者。繼鵬在與警務處高級助理處長尹曉風（石修飾）通話中要求香港政府在48小時內回購西區海底隧道「萬眾公司」的股份，否則會用1000公斤烈性炸藥炸掉隧道。繼鵬還叫在山單獨進入紅隧談話，踢傷其臉部並逼在山槍殺人質，在山沒有服從。繼鵬要在山於晚上12時前帶被關在監獄服刑中的弟弟繼標來，否則每過10分鐘槍殺一名人質。作為交換條件，在山則要求將繼標帶來後對方要釋放100名女人和小孩。繼標在被押送往紅隧的路上，對警察說他已經改邪歸正不想見哥哥，之後所乘車輛意外受到一名酒駕貨車司機的撞擊，一名員警和繼標因此受傷，在山要送繼標去醫院治療，繼鵬則在凌晨十二點槍殺一名男性人質。曉風要在山立刻帶著繼標前來，緊急時刻救了險些被害的第二名人質。通過手機影片確認受傷的繼標到來後，繼鵬先釋放50名男性人質，在山親自將躺在救護架上的繼標推到繼鵬面前後，繼鵬又釋放50名男性人質。不過天諾的警察身份也被匪徒發現，繼鵬就在天諾身上做一個人肉炸彈要在山解救。由於天諾身上有四組炸彈需要成功剪掉8根線才能拆彈成功，加上炸彈啟動後只有兩分鐘的緊急時間，令在山後來不得不放棄，並要讓天諾記住：「你是警察，你有你的責任。遠離人群，不要靠近車輛，站在原地，這樣的傷亡是最少的。」天諾慘被炸死讓其父及其同事、在場的警察和記者們都很傷心。繼鵬對在山說，這是他對弟弟繼標被抓而自己无法去救出弟弟的一種報復。之後繼鵬還逼天諾父親將手錶交給他，這手錶是天諾當天送給父親的生日禮物，然而繼鵬將手錶替繼標戴上，繼標卻對繼鵬心生怨恨並斥責咒罵繼鵬。
「萬眾公司」股票的大幅飆升，其主席國榮很開心，繼鵬也收到國榮轉給他的5億酬金。後來繼鵬打電話給在山，要他回憶那次搶劫金庫時使用的三個的士的車牌號碼，後來警方在一處加油站找到一輛的士。在山趕到後發現家雯被綁在後備箱裡，手裡還握著一顆手榴弹。在山叮囑家雯不要鬆手，並陪她將手榴彈扔進一個沙包陣裡引爆。紅隧事件持續到第三天，偽裝成人質逃出去的多名繼鵬手下收到指示綁走國榮，並逼國榮再轉給繼鵬十億元，最後更將國榮關在貨車裡炸死。
繼鵬準備乘坐外面接應人馬所駕駛的兩架大型直升機逃離香港，並開啟只剩60分鐘就會引爆的啟爆器，對警方聲稱只要他的人馬成功離開香港就會關掉啟爆器，並想要帶走在山和幾名人質。身穿炸彈衣手拿啟爆器和手枪的在山單獨赴會，威脅繼鵬要與他們同歸於盡，他稱其他匪徒可以走唯有繼鵬不能走，並想拿到他手中的啟爆器。大批警察從南北兩個入口迅速攻入隧道內，警匪雙方展開激烈槍戰，警方亦引導人質往九龍方向逃離隧道。在山與繼鵬的決戰中，雙方都受傷，繼鵬還將引爆器打毀以免在山關閉它。最後繼鵬被耀偉開車撞斷一條胳膊被拘捕，而一直躺在救護架上的繼標則中流彈身亡。在山要警察趕快疏散人員撤離隧道，因為他已無法阻止炸彈爆炸。在距離炸彈引爆還剩幾分鐘的時刻，阿斌到九龍出入口的那輛貨車下面，在山趕到港島出入口的那輛車下，由於線路太過複雜，在山無法判斷要剪紅線還是黃線，在與隧道工程師通話後得知引爆500公斤炸彈還能保住紅隧，於是在山決定自己做出犧牲要剪黃線，如果沒有爆炸的話阿斌也剪黃線，相反如果引爆的話阿斌就剪紅線。
最終在山在距離爆炸還剩10多秒的時間剪掉黃線而引爆炸彈被炸死，隧道內許多車輛被炸毀，最後時刻在另一端感受到爆炸波衝擊的阿斌雖剪紅線避免引爆，但他也受傷入院。在家中休息的家雯讀到在山發給她的最後一個簡訊時難過地哭了。事後警方向記者做事件通報：468名人質獲救，38名人質遇難，43名匪徒被打死，18名警察殉職。在為遇難警察舉行集體安葬的儀式上，家雯作為在山的家屬代表手捧遺像為男友送別。