Ein Jahr nach den Anschlägen vom 11. September beteiligt sich die CIA-Analystin Maya an der Jagd auf den Terroristen Osama bin Laden. Es wird eine zermürbende, jahrelange Suche nach Hinweisen, bin Ladens Kontaktmännern und seinem Aufenthaltsort. Das Ganze wird begleitet von vielen Rückschlägen und sogar dem Tod einer engen Kollegin Mayas - bei einem Treffen mit einem Bin-Laden-Informant wird sie Opfer eines Bombenattentats. Immer fanatischer stürzt sich Maya in die Suche, bis sie den richtigen Treffer landet: Alles deutet darauf hin, dass sich bin Laden in einem Anwesen im pakistanischen Abottabad versteckt. Und Maya bekommt von ganz oben das "Go" für die Operation "Neptun's Spear", die in der Nacht vom 2. auf den 3. Mai 2011 um 00.30 Uhr, "Zero Dark Thirty", stattfindet.

In nicht allzu ferner Zukunft ist die Grenze zwischen Mensch und Maschine noch weiter verschwommen: Nicht nur physisch sind die Androiden ihren Schöpfern mittlerweile zum Verwechseln ähnlich, auch emotional. Dies lernt ein leitender Wissenschaftler (Michael Peña) auf die harte Tour: Der von ganz speziellen Albträumen geplagte Familienvater muss feststellen, dass er selbst nicht gezeugt wurde, sondern geschaffen. Er ist der erste seiner Art und kein Mensch, sondern eine des Fühlens fähige - quasi beseelte - Maschine in Menschengestalt.