John F. Kennedy, der Präsident der Vereinigten Staaten, ist zu Besuch in Dallas, Texas. Während der traditionellen Fahrt im offenen Auto durch die Stadt treffen ihn plötzlich zwei Gewehrschüsse und verletzen ihn lebensgefährlich. Sofort wird er in das Parkland Memorial Krankenhaus eingeliefert. Der junge Arzt Jim Carrico ist der einzige vor Ort anwesende Mediziner, der dem schwer Verwundeten helfen kann. Die Krankenschwester Doris Nelson assistiert ihm bei der wichtigen Operation. Zur gleichen Zeit befinden sind Polizei und Secret Service auf einer fieberhaften Suche nach dem Scharfschützen. Wichtige Hinweise erhalten sie von dem Zivilisten Abraham Zapruder der den Anschlag und den vermeintlichen Attentäter Lee Harvey Oswald zufällig mit seiner 8-mm-Kamera gefilmt hat.

1954 soll der U.S. Marshall Teddy Daniels das Verschwinden eines Patienten aus dem Bostoner Shutter Island Ashecliffe Hospital aufklären. Er hat sich aus persönlichen Gründen um diesen Auftrag bemüht, aber schon bald muss er sich fragen, ob er nicht durch die Ärzte manipuliert wurde, deren Methoden von unethisch über illegal bis skrupellos gehen. Teddys scharfsinnige Ermittlungsmethoden führen rasch zu einer vielversprechenden Spur, aber das Hospital verweigert ihm Zugriff auf Informationen, die den Fall erhellen könnten. Als ein Hurrikan die Verbindung zum Festland unterbricht, "entkommen" weitere gefährliche Kriminelle in dem Chaos und die verwirrenden Hinweise mehren sich, so dass Teddy an allem zu zweifeln beginnt - seinem Gedächtnis, seinem Partner und sogar seinem eigenen Verstand.