2018年6月10日，市中级人民法院对室内设计师聂晓诚故意杀人案进行了一审判决，因故意杀人罪判处聂晓诚死刑。
在聂晓诚被判死刑的第二天，市缉毒总队队长林振涛在狱中单独会见了聂晓诚。他向聂晓诚讲述了他已故女友黎沐晨一年前真正的死因，并要求聂晓诚能够作为自己的卧底线人打入本市一个庞大的秘密毒窟。
但是因女友已故而心灰意冷的聂晓诚，婉言拒绝了林振涛的要求。回到监房的他，回忆起与女友曾经的快乐时光，自己亲手杀死的富二代胡凯伦卑劣的眼神，自己父母看着他被判入狱的悲痛，他的泪水模糊了眼前。
深夜，聂晓诚在梦中见到了昔日的恋人，也见到了悲痛欲绝的父母，他们要求聂晓诚既然用错误的办法做了一件正确的事，那么就要再用正确的方法完成自己做了一半的事。
第二天清晨，聂晓诚要求见林振涛，二人再次在狱中单独见面。聂晓诚答应成为卧底线人，但前提林振涛必须保证自己家人和女友黎沐晨家人的安全。林振涛当即答应。
在他们见面后的第五天，监狱消防演练，在演练过程中，林振涛安排聂晓诚成功越狱。越狱后的聂晓诚通过林振涛所给的暗号，找到了线人迪虎。
在迪虎的介绍下，聂晓诚得知在毒贩内部存在着一个庞大的制毒工厂。他为了尽快打入毒贩内部高层，查出制毒工厂，决定以制毒者的身份冲击贩毒集团的根本利益，与毒贩形成以敌转友的合作形式迅速打入。
在进过与林振涛协商，聂晓诚决定请自己的昔日好友大学化学教授沈军出山制毒，由迪虎作为中间人联系买方，建立一支属于自己的制毒、贩毒团队，并命名此次行动代号为“绝毒”。
但是聂晓诚和林振涛邀请沈军出山时，却被沈军一口回绝。在两人因没有制毒专家而焦急时，一次扫黄打黑行动中，林正涛意外中发现沈军的弟弟沈成龙与毒贩有染，便心生一计，再次找到了沈军。
沈军得知自己的弟弟与毒贩有染，并且以贩养吸。心中对此愤怒不已，在确定林振涛可以绝对保护自己家人安全后，沈军也加入了行动当中。
在获取制毒原料时，林振涛准备申请一批制毒原料提供给聂晓诚，但是聂晓诚为了不引起贩毒集团的怀疑，决定冒险劫取贩毒集团的制毒原料。
在迪虎通过多方打探后，得知贩毒集团的原料仓库在南郊深山中的一处洞穴中。在聂晓诚和迪虎计划抢劫原料仓库时，沈军突然提出建议，并给聂晓诚提供了大量的自制C4炸药和自制手雷。
在得到了沈军的帮助，聂晓诚、迪虎成功的劫取了一大批制毒原料，并炸毁了毒贩的原料仓库。
贩毒集团高层得知实情后，派出了三名杀手，要求活捉聂晓诚等人。迪虎和沈军因为第一次的胜利得意忘形，在酒醉回家的路上被三名杀手活捉。
贩毒集团以迪虎和沈军作为要挟，要求聂晓诚独自一人前来谈判。聂晓诚一方面担心迪虎、沈军的的生命安全，另一方面也庆幸终于接近了贩毒集团。
当聂晓诚独自赴约时，林正涛也在暗中对两人的家人进行着全面保护。就在聂晓诚到达指定见面地点时，聂晓诚和沈军家均由不明身份的持刀匪徒闯入，但是均被林振涛安排假扮混混的特警一一制服，并且全部送往了聂晓诚赴约的地方。
毒贩集团见到自己派出的手下均被五花大绑着被压到自己眼前，便对聂晓诚等人的身份深信不疑。
由于原料仓库被毁，又得知沈军是聂晓诚的制毒军师的贩毒集团，决定邀请聂晓诚加入一同发财，但是必须按照五五分账。
就在聂晓诚准备答应时，迪虎却提出了三七分账，自己团队拿七。贩毒集团首脑虽然心中恼火，但没有原材料的他们只能无条件服从。
聂晓诚等人回到住处，秘密联系了林振涛，告知了他合作的情况。而林振涛却告知他们所见的只是贩毒集团中几名分销的重要人物，真正的首脑人物仍然隐藏在黑暗中操控着一切。
就在聂晓诚和沈军筹划如何引出幕后首脑时，迪虎欠下赌债的债主龙哥却找上门，胁迫迪虎交出等价的冰毒，迫于压力的迪虎只能背着聂晓诚和沈军将一批制出的冰毒交给了龙哥。
但是迪虎万万没有想到，自己的债主龙哥居然是贩毒集团首脑的头马。就在自己和龙哥交易时，龙哥翻脸，将迪虎捉住后进行了严刑逼问，最终迪虎招出了聂晓诚和沈兵的身份。
而此刻聂晓诚和沈兵用金钱收买了不少贩毒集团中的主要成员，知道了背后首脑竟然是馨华建筑集团董事长马馨华。就在他们和林振涛收集证据准备收网时，却接到了马馨华的电话。
根据马馨华的要求，不想迪虎暴尸荒野，就要听从她的指示，沈军需要在一周后交出四吨冰毒，而聂晓诚与东南亚人进行交易，然后将钱送到马馨华南山别墅。
林振涛原本以为迪虎叛变出卖了他们，为了确保聂晓诚和沈兵的安全，本想就此收网。可是聂晓诚和沈军相信迪虎，便根据马馨华的指示，设下了另一个圈套。
就在一周后，聂晓诚带着沈兵制出的毒品前往北郊后山交易，而林振涛派出了特别行动组前往北郊进行抓捕时，被沈军阻拦了下来。得知制毒工厂可能就在马馨华别墅时，便对行动计划进行了修改。
就在聂晓诚在交易现场交易结束后，拿着毒资前往马馨华的南山别墅。在别墅他看到了浑身是伤，奄奄一息的迪虎。在聂晓诚交出毒资时，林振涛的特别行动小组早已秘密潜入了别墅周围。
别墅内马馨华让手下将重伤的迪虎交给了聂晓诚，迪虎虚弱的告知聂晓诚自己只说出了三人是想侵吞抢占马馨华的贩毒集团，并没有说出他们真实身份。
而此刻林振涛的特别行动小组已经开始了抓捕行动，就在马馨华想和聂晓诚再次协商合作之事时，门外一声枪响，众人掏出枪一齐瞄准了聂晓诚，聂晓诚自知死期将至，便向马馨华询问自己女友黎沐晨的死亡真相。
马馨华见聂晓诚对女友一往情深，便告诉了他一切真相，就在龙哥向聂晓诚开枪时，趴在地上的迪虎突然将聂晓诚扑倒，而枪声响后，迪虎被击中头部，倒在血泊之中死去。
聂晓诚看着死去的迪虎，心中怒火中烧，借着沈军带着特警炸门而入混乱的场面，他捡起了掉在房门后的一把手枪，顺着马馨华等人逃脱的方向追了出去。
在别墅后山，马馨华的手下和紧追不舍的聂晓诚展开了枪战，聂晓诚在身负枪伤的情况下，将马馨华的六名手下击毙。
在追上马馨华时，聂晓诚举枪瞄准了她奔跑的背影，扣动扳机，枪声过后，马馨华应声倒地。而聂晓诚也因失血过多倒了下去。
林振涛派人，在东南亚人交易结束，在车辆开出几公里时，将其全部抓捕。
在搜查别墅地下室时发现了制毒工厂，并且在工厂一间暗格中发现了死去不久的沈成龙。
聂晓诚在送往医院途中，由于失血过多，不治身亡。“绝毒”行动的终结，沈军也决定辞去工作，加入了市缉毒总队，成为了一名奋战在禁毒一线的人民警察。
“绝毒”行动结束，禁毒行动将永不停歇，直至天下无毒。