Czterdzieści lat temu Harriet Vanger bez śladu przepadła na wyspie, należącej do potężnego klanu Vanger. Jej ciało nie znaleziono, ale jej wujek jest przekonany, że to było zabójstwo i że morderca jest członkiem jego własnej rodziny. On wynajmuje skompromitowanego dziennikarza Mikaela Blomkvista (Daniel Craig) i wytatuowaną hakerkę Lisbeth Salander (Rooney Mara), w celu przeprowadzenia śledztwa.

Akcja rozgrywa się rok po wydarzeniach z pierwszego filmu, w 1891 roku. Genialny detektyw Sherlock Holmes (Robert Downey Jr.) i jego oddany przyjaciel Dr John Watson (Jude Law) ponownie łączą swoje siły by pokonać największego złoczyńcę świata - Profesora Moriarty (Jared Harris).

Policja jest zbita z tropu serią morderstw dokonywaną w podziemiach metra w Helesinkach - brakuje świadków, a morderca w przedziwny sposób omija zabezpieczenia i monitoring. Do śledztwa zostaje przydzielony detektyw Timo Harjunpaa.

David Sumer (James Marsden) jest scenarzystą w LA, wraz z żoną postanawia przeprowadzić się na południe USA. Niestety między małżonkami często dochodzi do spięć i dodatkowo narasta konflikt z lokalnymi mieszkańcami co staje się dla nich zagrożeniem .

Rok 1991, na koreańskiej prowincji rodziny piątki chłopców zgłaszają ich zaginięcie. Po latach poszukiwań dzieci nie udaje się odnaleźć, jednak producent telewizyjny Gang Ji Seung i wykładowca akademicki Hwang U Hyeok rozpoczynają własne dochodzenie.