중립국 감독 위원회에서는 책임수사관으로 쮜리히 법대 출신의 한국계 스위스인이며 군 정보단 소령인 소피(이영애 분)를 파견한다. 태어나 처음으로 한국에 입국한 소피는 남측과 북측 모두 피의자 인도 거부와 관계 당국의 비협조적인 태도로 수사 초기부터 어려움을 겪는다. 어렵게 사건 당사자인 남한의 이수혁 병장(이병헌 분)과 북한의 오경필 중사(송강호 분)를 만나 사건 정황을 듣게 되지만, 그들은 서로 상반된 진술만을 반복해 수사는 점차 미궁으로 빠져든다. 그러던 중 사건 최초의 목격자인 남성식 일병(김태우 분)의 진술에서 의혹을 느끼고 수사를 주변 인물로 확대시켜 나간다.

사건을 은폐 축소하려는 남북한 상부조직의 음모와 극도의 혼돈 상태에 빠진 피의자들, 중립국 감독 위원회 측의 미온적인 수사태도로 소피는 계속적인 어려움을 겪게 된다. 하지만, 시체부검과 증거물 조사, 공격적이고 치밀한 추적으로 점차 진실에 가까이 접근해 간다. 그러던 중 사건의 전모가 드러날 것을 두려워한 남성식이 돌연 투신 자살을 시도한다. 이 사건을 계기로 상부 조직은 소피의 아버지가 과거 한국전에 참전했던 인민군이었음을 폭로하고 중립국 감독위원회를 사주해 소피의 수사전권 해임을 통보한다. 소피는 진실을 파헤치기 위해 마지막 시도를 감행하는데...