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.

Agent Matt Weston wurde damit beauftragt, die Insassen des sogenannten Safe House zu betreuen. Hier werden unter anderem Zeugen untergebracht, bevor sie vor Gericht aussagen. Für einen jungen CIA-Agenten also alles andere als aufregend und nicht gerade das, was man sich unter dem Job vorgestellt hat. Das ändert sich allerdings schlagartig, als kein geringerer als Tobin Frost ins Safe House kommt. Frost ist eine ehemaliger CIA-Agent und er war einer der besten. Dann wechselte er die Fronten. Als möglicher Kronzeuge ist er für die Regierung äußerst wertvoll. Das wissen auch Frosts Auftraggeber. Kurzerhand dringen sie ins Safe House ein, und nur kanpp entkommen Weston und Frost. Da die Gangster nur Frost wollen, gilt Weston als entbehrlich. Auf ihrer Flucht und Suche nach einer neuen, sichereren Zuflucht, muss sich Weston wohl oder übel mit Frost verbünden und bekommt dabei mehr Action als ihm lieb ist und Gelegenheit, sich zu beweisen.