Zwischen 1968 und 1969 ermordete der "Zodiac-Killer" nachweislich fünf Menschen im Raum San Francisco, zwei weitere Opfer überlebten. In zahlreichen, teilweise kodierten Briefen nahm der Mörder Kontakt mit der Presse sowie der Polizei auf und verhöhnte seine Verfolger. Im Film werden diese Ereignisse wie folgt umgesetzt:
Der junge, charismatische Journalist Robert Graysmith (Jake Gyllenhaal) arbeitet als Karikaturist für den San Francisco Chronicle, wo der Zodiac-Killer mit seinen verschlüsselten Botschaften für helle Aufregung sorgt. Der Killer verlangt, dass seine Chiffren gleich am nächsten Tag auf der Titelseite der Zeitung abgedruckt werden, ansonsten würde er einen Amoklauf beginnen und "das ganze Wochenende herumfahren und nachts einsame Leute töten…". Greysmith lässt der rätselhafte Killer keine Ruhe mehr - in seiner Freizeit stellt er nun selbst Recherchen zu dem Fall an. Während die Jäger des Killers - etwa Starreporter Paul Avery (Robert Downey Jr.), Inspector David Toschi (Mark Ruffalo) und Inspector William Armstrong (Anthony Edwards) - nach und nach aus dem Rennen scheiden, gibt Graysmith die Jagd nicht auf, die langsam zu einer Besessenheit wird...
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