1986年10月23日，朴警官在乡间的的排水渠中发现了一具女尸。几天后，另一处地方发现了第二具尸体。作案手段相似，应该是同一名凶手所为。一位姓苏的警官自愿从汉城来到这里调查奸杀案，在经过一些误会之后，苏警官和朴警官成为搭档负责此次的案件。

朴警官在游戏厅找到了光昊，他的智力有些障碍，但是有人看到在一个女孩遇害的当晚，他偷偷跟在女孩的后面。朴警官想让光昊认罪，可是光昊虽然有智力障碍，但是一直坚称自己谁都没杀。于是软硬皆施，甚至以活埋威胁他说出他杀人的实情。光昊在朴警官的刻意引导下，说出了第一个女人受害的情形。

苏警官却并不相信光昊是真凶，在深夜里还在查看之前档案。不久后，上级重新成立了调查组，新一任局长接手了这起案件，朴警官汇报了调查成果。通过对现场和几个受害人的分析，苏警官总结了几起案件的共同点：都是漂亮的单身女性，案件都发生在下雨天，三位女性都穿着红色的衣服。

于是，在一个下雨天，一位女警官穿着红色衣服试图引诱犯人上钩。可是并没有成功，几人躲进移除岗亭避雨，这时两个女学生也躲了进来。其中一个学生谈起了最近的凶杀案，说那凶手就住在他们学校的厕所里。苏警官觉得这只是学生编造的故事，并不打算理会。就在他们躲雨的时候，一位为丈夫送伞的女人遇害了。

第二天，警方发现了女人的尸体。众人还是找不到有用的线索，就在愁眉不展的时候，女警官提出了一个巨大的发现。就在昨天夜里，一直都有人要求播放《悲伤情书》这首歌，并且在其他案件发生的时候，这首歌都有播放。苏警官认为这并不是巧合，要求播放歌的人很有可能就是凶手。苏警官去往电台寻找证据，可是昨天要求点歌的明信片早已被送往垃圾站。

苏警官突然想起上次一个女孩说起的学校厕所的故事，准备去一探究竟。他找到了上次的其中一位学生，询问了厕所的事情。苏警官在学校的后山上找到了一个女人，在经过调查后，发现女人去年9月份也曾遭到过强奸，但或许是因为没看见凶手的脸得以幸免。女人提供了一个线索，凶手的手很柔软，就像女人的手一样。

另一边，女警官找到了当初点歌的明信片，根据上面的地址，朴警官和苏警官找到了嫌疑人的家。此人名叫朴兴圭，是一个退伍军人。可朴兴圭去坚持自己没有杀过任何人。因为没有任何证据，他们没法依法逮捕朴兴圭。

突然，苏警官想到一开始的光昊，光昊很有可能是目击证人，于是两人去白家烤肉店寻找光昊。可是光昊逃开了，逃到铁轨上，情绪激动，结果死在了路过的火车的轮子下。唯一的目击证人也死了。好在调查科发现了凶手残留在衣服上的精子，只要上面的DNA和朴兴圭的吻合，那么案件就告破了。但是需要送到美国去鉴定，需要一段时间。

就在朴兴圭被释放的第二天，一个女学生的尸体被发现在树林里。而这个女学生就是曾经苏警官去调查厕所的故事的时候遇到的，因为她当时演习受伤，苏警官还自己帮她贴了创可贴。苏警官看着女孩身上的创可贴再也无法控制自己，他把朴兴圭从家中拖出来，掏出手枪逼问朴兴圭是不是凶手。朴警官送来了美国的公文，经过鉴定，朴兴圭的DNA与受害者身上的样品不匹配。苏警官根本无法接受这样的结果，想要直接击毙朴兴圭，但是让朴警官拦了下来。朴兴圭趁机逃走。

多年以后，朴警官成为了一个商人，他在一次送货的途中路经当时的案发现场，他蹲在排水渠向里望去，里面空空如也。一个小女孩问他在看什么，前段时间也有个男人这样做。朴警官问她看到了那人的模样吗，小女孩回答看到了，长得很平常。

事实上，真实事件华城连环杀人案的凶手至今仍然逍遥法外。《杀人回忆》中的案件也被描述为一个悬而未决的案件，关于谁是凶手这个问题一直都有很多种说法。尽管许多证据都指向朴兴圭，但是最后的决定证据却没对上，那么他首先不是留下精液那起案件的犯人，所以很有可能这样的连环案是有模仿犯罪的可能性。不过影片真正想告诉我们的应该是人类在还原真相时的无奈，我们甚至永远都不会知道真相是什么，这真是一种令人绝望的说法。