Ám Ảnh Trinh Thám xoay quanh cuộc điều tra một vụ cái chết bí ẩn trong ký túc xá nữ sinh đại học tại bến Thượng Hải vào đầu thập niên 1930. Trưởng phòng cảnh sát trung ương Quan Sầm quen biết Lục Dĩ Chân, một nữ sinh yêu thích tiểu thuyết trinh thám, từ vụ việc này.
Vụ án vô tình liên quan đến một vụ bắt cóc bé gái 17 năm trước. Hai năm sau, Lục Dĩ Chân tham gia kỳ tuyển chọn nữ cảnh sát đầu tiên tại Thượng Hải và trở thành cấp dưới của Quan Sầm.
Trong đồn cảnh sát, nơi nhiều vụ án phức tạp xảy ra, hai người hợp tác điều tra lại vụ bắt cóc bé gái. Họ từ từ xua tan màn sương mù và cơn ác mộng bao trùm trên đầu họ. Qua đó, họ cũng dần hiểu rõ hơn về nhau và về chính bản thân mình.