为尽快破案，小镇警方想出引蛇出洞计划，根据连环杀人案受害者的一些相同特征，让女警圭玉身穿红衣在雨天诱使案犯出现。
引蛇出洞计划尚未成功，杀手又再次犯案，犯罪现场除了一个模糊的脚印，案情依然迷雾重重。
巧合之下，女警圭玉发现，每当下雨天，FM广播站一栏晚间音乐节目即有听众一直要求播放歌曲“悲伤情书”，歌曲的播放时间和凶手犯案时间惊人的吻合。
苏探员认为这是重要线索，决定从点歌人“Terung区的孤独的男人”为突破点侦破案件。
朴探员认为所谓的电台线索完全只是巧合，据他推测案犯之所以没有在犯罪现场留存体液毛发，完全是因为凶手剔除了下身毛发。
朴探员决定付出行动——在澡堂里盯着客人的下身查找客人中哪个男人的下身没有毛发，就说明他有犯罪嫌疑。
影院内，当观众们看到宋康昊饰演的朴探员在澡堂内，正聚精会神的盯着客人的下身观察，一个男童走过，看着男童那光洁的下体，宋康昊表现出的惊喜错愕得表情，观众们顿时爆发出一阵笑声。
苏探员寻到电台查找点歌人下落，却被告知点歌人的明信片丢失，线索再次中断。
而朴探员在澡堂一天毫无所得，侦破遇到瓶颈，听信妻子淑英劝告，求神问卜，向仙姑求得灵符，半夜三更和拍档韩探员一起到凶杀现场“圆光”，期望神灵能够提供疑犯信息。
与此同时，苏探员也来到凶杀现场查找线索，结果查询未果。
三人再次一无所得时，凶杀现场出现一个拿着女性内裤“手银”的变态男人，疑为杀人凶犯，三人奋力追踪，终于抓获疑犯，对疑犯调查后却证明和案情无关。
正当众人以为案情再次陷入谜团时，苏探员从变态疑犯口中获悉女子学校的一位神秘女人可能与案件线索有关，同时，苏探员想起和女警圭玉在雨夜时见过的两位女校学生曾提过这个神秘女人与案件有关，只是当时被他忽略。
苏探员在学校老师帮助下找到神秘女人，得知神秘女人亦是受害人之一，只是没有被凶手杀害，侥幸逃脱。从她口中得知凶手有一双像女人一样柔软的手。苏探员虽从神秘女人口中得知新的线索，案件却依然晦暗不明，无从查起。
又是一个雨夜，电台再次播放悲伤情书，又一名女子被害。
警方及时联络电台，通过电台明信片查探到匿名点歌人是一名退伍军人朴兴奎。
朴兴奎被带到警局，苏探员根据资料发现自从朴兴奎到小镇那天起，案件就接连不断的发生。
案发时间、退伍军人、雨夜作案、悲伤情歌、点歌人，一切的线索都指向朴兴奎。疑犯朴兴奎却拒不承认犯罪事实，警方毫无证据，案件陷入僵局。
案情线索中断，朴探员和苏探员心力交瘁。
闲聊中，两人想起光昊曾详述说过香淑被害过程，通过留存的审问磁带回放，终于发现光昊在案发当天目击了整个案发过程。两人找到光昊，拿出朴兴奎照片让光昊指证疑犯，却引发光昊恐慌乱跑，惨死在火车道上。
光昊惨死，案情即将再次陷入困境时，尸检调查科在被害人身上发现案犯精.液，由于韩国没有DNA鉴定技术，必须送到美国鉴定才能确认是否和疑犯朴兴奎DNA符合，用以指正疑犯。
在此期间，朴探员的拍档韩探员终因莽撞而被截止。
朴探员在经历这一系列事件后，凝视着拍档那剩下的空荡鞋子和鞋套，又想起关键证人光昊被飞驰的火车撞死，原先只想草草结案，敷衍诱供的办案心态开始发生变化，开始接受苏探员的科学方式，学习理性教化与相信科学证据。
然而，在警察等待化验结果期间，凶手再次犯案。
银幕上，影片中最揪心的一幕出现。
雨夜中，朴探员的妻子淑英和年轻女学生在夜色里的小道上擦肩而过。
凶手躲在暗处，视线一直在两个无辜柔弱的女人间来回游走。
终于，他选好了猎物，迅速跟上……，当勺子、小刀、圆珠笔一样样被翻出来，轻放在地上，手电光下女孩那慌恐又绝望的眼神，让人心碎……。
此时，影院内，在银幕上出现女学生那恐慌绝望的眼神时，黑暗中响起一片粗重的喘息以及女观众爆发出的惊恐尖叫声。
银幕上，苏探员终于不愿再等待化验结果，要将犯罪嫌疑人朴兴奎绳之以法……。
在苏探员准备枪杀朴兴奎时，朴探员带着美国发回的DNA验证报告赶来。
看着公文上证明疑犯无罪的报告，大雨中的苏探员浸透了无助与绝望，举枪射向朴兴奎，却被朴探员阻止。
这时，巧妙的事情出现了——二者的性格发生了戏剧化的调换。
苏探员从一个稳重的男人突然转变了性格，压抑、愤怒、冲动、无奈在此刻一下子爆发出来；而朴探员则从一个生性鲁莽的男人变得更加理智、冷静、稳重。
银幕上。
一列火车行过，那份证明疑犯无罪的公文在火车的碾压下粉碎。
朴兴奎在苏探员和朴探员的纠缠间奔向隧道深处，身影越行越远，渐渐隐没在隧道暗影里。
银幕上，特写镜头。
那一刻，黑洞洞的隧道阴影迎面扑来，苏探员心中空落落，眼眶中泪珠滚动，双眼无神地看着这黑暗延伸向远方，仿佛永远没有尽头，如同那依然毫无线索，不知从何查起的杀人凶案……
十七年后。
2003年，昔日的朴探员已经成为商人，养儿育女。
朴探员再次回到小镇，小镇的田间宁静祥和，仿佛什么事情都没有发生过。但当他路过当年的稻田时，又经不住走到当年发现第一具尸体的田垦排水管前。
如同影片开头那幕，镜头中.出现的是依然湛蓝的晴空，还有那条水沟。
朴探员再次看向当初案发的水沟时，一个小女孩走了过来。
不过和开头一无所知、只会学舌的小男孩不同，可爱的小女孩对这位中年大叔的举动相当好奇。她告诉他不久前也有个人和他一样在那找什么东西，朴探员马上意识到是罪犯多年后重返现场。
银幕上。
朴探员问女孩儿，“你看见他的脸了吗？”
小女孩点头。
“他长什么样子？”
“很平常的那种……”
“指哪方面？”
“都很普通。”
银幕上。
听到小女孩儿的话，朴探员脸上露出一副顿有所悟却又茫然若失的表情，他闪着泪光，眼神中透着惊愕与茫然……
影片的最后，也没有交待凶手是谁，留给观众的是一个没有答案的结局。
“真相，只有拥有完整杀人回忆的凶手本人，只有他知道——那年雨夜他做了什么……”
当影片落幕的时候，不需要等待，电影院内所有的观众全部站了起来，送上了热烈的掌声。
每个观众眼中都闪烁着泪花，神色各异，有伤心，有疑惑，有悲愤，也有解脱……
影片结束之后，第二天，《杀人回忆》就成为韩国最受瞩目的电影。
关于它的评论在各大报刊，杂志，网站上漫天飞舞，媒体争相发表报道。
《韩国日报》首先以“《杀人回忆》一部找不到缺点，毫无破绽的完美电影”为标题，对影片做了详细的评论。