フランス革命後、王政が復活した1815年、飢えた妹の子どものためにパンを1つ盗み、20年の刑に受けていたジャン・バルジャン(ヒュー・ジャックマン)は、19年目にして、仮釈放となった。しかし、バルジャンの身分証には「危険人物」の烙印が押され、仕事を得ることもできなかった。

披露と飢え、暴行受け、バルジャンが教会の前で倒れていると、司祭から声を掛けられた。バルジャンは客人として迎えられ、暖かい食事と、ベッドを与えられる。しかし、夜、バルジャンは、教会の銀の食器を盗み、逃亡する。逮捕されたバルジャンだったが、司祭は「食器は彼に与えたものだ」と警官に告げる。さらには、銀の蜀台をバルジャンへ与えた。

バルジャンは、恥を知り、生まれ変わることを決意。身分証を破り捨て、仮釈放に伴う毎月の出頭（身分証に確認印を押す）も止めることとした。

1823年、バルジャンは、貧者の味方と尊敬される市長になっていた。そのバルジャンのもとに、新たに署長に就任したジャベールが着任の挨拶にやってくる。そこでジャベール(ラッセル・クロウ)は、バルジャンの面影から、彼の過去に疑惑を抱く。

一方、バルジャンの作業所で働く貧しい娘・ファンテーヌ(アン・ハサウェイ)は、男に捨てられ、幼い娘コゼットを宿屋の夫婦に預けていた。宿屋からの「金を送れ」という手紙を同僚の女たちに取り上げられ、騒動となる。バルジャンは、穏便に収めるよう工場長に命じて立ち去ったが、自分たちまで職を失うことを恐れた作業員の女性たちがファンテーヌの解雇を要求し、工場長はファンテーヌを解雇してしまう。

ファンテーヌは、髪の毛、奥歯を売り、娼婦に身をやつしていた。娼婦街で、ある男がファンテーヌをからかい、ファンテーヌが男を突き飛ばす。ジャベールの警官隊が通りかかり、男はファンテーヌに襲われた、と主張。ジャベールはファンテーヌを逮捕しようとするが、バルジャンが庇い、病院へ運ぶ。

この一件の後、ジャベールは、バルジャンをパリへ告発していた、と告げる。だが、別人が誤認逮捕され、バルジャンは危機を回避していた。その一方で、無実の他人が身代わりになろうとしていると苦悶し、バルジャンは、法廷に乗り込み、事実を明らかにする。だが、それを法廷は取り合わなかった。

貝塚北署に勤務する内海薫（柴咲コウ）は30歳を過ぎ、警察署という男社会の中で居場所を見つけられず、しまいには上司からは米・オクラホマで一年間研修を勧められるなど、人生の岐路に立たされていた。

そんな折、薫は長野県警から指名手配されていた上念研一（ユースケ・サンタマリア）の身柄を拘束する。上念は、すでに亡くなっている老婆を車椅子に乗せ、一緒にいたのだった。その老婆の介護をしていた上念は、「口論となった介護先の娘を殺害し、老婆が望んでいた東京観光をしていた」と供述する。

内海は、容疑者を自供させ警察官としての自信を取り戻そうとしていた。 しかし上念は、長野県警に移送された途端、今度は内海が取った調書とは全く異なることを言いだし、容疑を完全否定しだした。

誤認逮捕ではないかと疑われた内海は、長野で県警の当摩健斗（柳楽優弥）とともに再捜査を開始する。すると今度は、甲本という記者から長野県警に「不正警察官Y・Tは人殺しだ。無実の記者を自殺に追い込んだ」との怪文書が出回っていることを知らされる。しかもその自殺した記者は、上念が殺害したとされる老婆の娘の父親であったと判明する。

岩見隆治の追っていたのは、誤認逮捕後に獄中死した世田谷主婦殺害事件、通称・「猿渡(雄吉)事件」であった。当時の担当刑事が、警視庁で勤務していた、現・髙﨑依子署長であることが分かり、Y・Tとは髙﨑署長を示しているのではないか、と推測された。

この事実を元に、定年を間近にした長野県警・刑事の関岡郁夫(伊武雅刀)と当摩健斗（柳楽優弥）とともに、内海は捜査を開始する。その中で、上念と猿渡事件を追っていた記者が、練炭を使用した一酸化炭素中毒で死亡する。自殺と思われていたが、内海は自殺に見せかけられた他殺であると考える。