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.

Vor 13 Jahren war Lin Dong Teil einer Spezialeinheit, deren Einsatz massiv schiefging. Gemeinsam mit seinem Team sollte der Polizist den Genetikforscher Dr. James beschützen, nachdem dieser aufgrund einer Erfindung, die den Lauf der Welt verändern kann, in Lebensgefahr geraten ist. Doch maskierte Söldner mit futuristisch anmutenden Waffen veranstalteten ein Massaker, töteten den Forscher und fast alle Beschützer. Nur mit Glück überlebte Lin, der auch noch einen weiteren Schicksalsschlag verarbeiten musste: Seine Tochter starb an Leukämie. Als nun plötzlich die Forschungsergebnisse im Rahmen eines Sci-Fi-Romans wiederauftauchen, geht Lin der Sache auf den Grund. Überraschende Unterstützung bekommt Lin von einem Hacker und gemeinsam stoßen sie bald auf die junge Studentin Nancy, die der Schlüssel zu allem zu sein scheint. Hinter ihr ist aber auch ein scheinbar unverwundbarer Supersoldat her. Und bald zeigt sich, dass das Mädchen eine besondere Beziehung zu Lin hat...