在青梅竹马小兰（忽那汐里 饰）的鼓动下，工藤新一（溝端淳平 饰）半推半就乘上飞往京都的飞机，去观摩正在那里拍摄时代剧的毛利小五郎（陈内孝则 饰）的表演。飞行途中，名叫大鹰和洋（波冈一喜 饰）的摄影师陈尸洗手间，引起乘务组的恐慌。工藤新一就在1万英尺的高空展开推理。好不容易来到京都摄影所，针对男主角樱庭（中村俊介 饰）的谋杀预告传来，不久更有一名女演员遇害。新一和对手服部平次（松坂桃李 饰）展开竞技般的推理……本片根据青山冈昌的同名人气漫画改编。

在刑警学院任职的物理天才唐川（王凯 饰）与中学教师石泓（张鲁一 饰）年少相识，因彼此对数学的共同兴趣而惺惺相惜，多年后唐川在调查一桩杀人案时， 身为石泓邻居的陈婧（林心如 饰）被列入警方的“嫌疑人”之中，石泓与唐川因此再度重逢，而唐川却在调查中发现了更大的秘密……被迫站在对立面的唐川、石泓由此展开了一场高智商对决，一步步推动故事走向既震撼人心又令人扼腕的结局。

北方某小城市的大龄音乐女教师王彩玲（蒋雯丽）相貌丑陋，却因天生有一副唱歌剧的嗓喉，相当清高。不甘像周围人一样过平庸世俗生活的她，一心要将根扎在北京。钢铁厂工人周瑜迷上了在广播里献声的王，以拜师的名义对她展开追求，却间接令王爱上了其一心想去北京念美院但屡考屡败的表弟黄四宝（李光洁），然而黄只当王是自己苦闷精神世界的知音。后来，黄因为认为这段纯洁关系被王玷污去了深圳，周对王的再度追求也不了了之。

失恋的青年赵小帅（姜文 饰）是名个体书商，他与女友安红(瞿颖 饰)分手后又想和好，死缠烂打不放。不过，安红正与某娱乐公司的老板刘德龙（刘信义 饰）恋爱，视对方为情敌的两人终于大打出手。混乱之中，小帅抢过行人张秋生（李保田 饰）的背包，当武器抡打，砸电线杆上将包内电脑摔坏。

1948年的深冬，作家（姜文 饰）在41岁生日的晚上收到一封厚厚来信，此信出自一个濒死女人之手，所言是她对他将近20年的爱恋，但他却一无所知。18年前，13岁的女孩爱上了住在隔壁的作家，因家变搬到了别处后，女孩并没对作家忘情。几年过去，女孩变成女学生（徐静蕾 饰）回到原来的住处，如愿以偿与作家有了交往，但作家对眼前曾住在其隔壁的女学生没有任何印象。

在电视台担任足球评论员的滕远峰（濮存昕 饰）突然接到法院传票，妻子林翘（许晴 饰）要与自已离婚，这让他一时丈二和尚摸不着头脑。原来，执着于自身事业的滕远峰婚后冷落了妻子，他认为家中不愁吃喝穿戴，林翘应该安于现状，但精神层面的缺失让林翘寂寞难耐，她与女子合唱团的指挥张客（郭峰 饰）发生了一夜情。

年届不惑的女子伊琳诺·兰斯（莉莉·泰勒 饰）生活一塌糊涂，她牺牲自己的幸福，十几年里悉心照顾患病在床的母亲。母亲去世后，妹妹简又图谋夺取她的房产。走投无路之时，伊琳诺从报纸上看到一则失眠研究所的志愿者征询广告，受征询金额的吸引，她决定报名参加。与之一同应征的还有西奥·多娜（凯瑟琳·泽塔·琼斯 饰）与卢克·桑德森，在发起人马洛教授（连姆·尼森 饰）的带领下，他们来到了一座建成已有上百年的庄园。

小鱼（徐静蕾 饰）一直跟妈妈生活在一起，直到高中时母亲意外去世，她才第一次见到自己的父亲老于（叶大鹰 饰）并和他生活在一起。老于是个典型的北京油子，经常夜不归宿，小鱼十分没有安全感，但倔强的她照顾自己的生活，也不张嘴跟父亲抱怨。小鱼长大了，谈恋爱了，和男朋友结婚了，带回家吃饭。饭桌上老于毫不留情面地看不上小鱼丈夫，小鱼爆发了，把多年来对父亲不关心自己的积怨和伤痛骂了出来。

师慧（盖克 饰）和丈夫李浩明（李保田 饰）结婚多年，生活一直平平淡淡。李浩明是一位郁郁不得志的作家，怀揣着高远的志向却不得不向现实低头，忍受不了丈夫的无能和窝囊，个性冲动的师慧提出了离婚。由于李浩明没有房子，离婚后，他只得继续和前妻住在一起，师慧的妹妹师红（张延 饰）得知了姐姐的处境，主动请缨与师慧换房，承诺能将赖着不走的李浩明赶出去。

孙丽英（巩俐 饰）数年前与丈夫离婚了，独自抚养着天生失聪的儿子郑大，她耐心的教会儿子说话，教儿子识字，母子俩生活艰难，但她却没有埋怨丈夫移情别恋，埋怨上天对她的不公。孙丽英认为自己的儿子跟正常人没什么两样，可是儿子入学考试失败还是让她感到失落。郑大被其他孩子欺负的时候把助听器摔烂了，孙丽英想让前夫帮忙，却不得要领。