3年间，数起“微笑死亡事件”震动了全城，死者均系女演员刘金水（刘诗诗饰）的前男友。面对着巨大的舆论压力，青年警探王不二（文章饰）、即将退休的警员黄飞红（李连杰饰)和他们的女上司Angela（陈妍希饰）受命侦办此案。
王不二大闹片场、捉拿刘金水，彻底打乱了刘金水的电影拍摄计划，使她苦苦等待的女一号意外泡汤。伤心的刘金水来到了维多利亚港旁，将此前获得的奖杯抛入水中，一直秘密跟踪刘金水的王不二以为刘金水是在销毁证据，遂跳入水中打捞，却发现只是奖杯。
调查暂时无果，Angela、黄飞红他们发现，刘金水的姐姐戴依依（柳岩饰）屡次抢走刘金水的男友，而这些男人无一例外的死于“微笑死亡事件”。王不二将戴依依带回警局，但很快证明，戴依依无作案时间，而王不二对有魔鬼身材的戴依依非常着迷。
最终，为了破获“微笑杀人案”，王不二假扮成刘金水的未婚夫，在与刘金水拍摄婚纱照的
过程中，刘金水所佩戴的大的夸张的宝石项链引起了王不二的怀疑，黄飞红一眼认出，这枚宝石项链正是当年纽约博物馆失窃的珍宝—“寂寞的眼泪”。
王不二前往医院捉拿本案幕后的真凶—刘金水的二叔刘星（梁小龙饰），但很快被其打倒在地。关键时刻，黄飞红出现，与刘星展开了最后的对决，平时看似只会毒蛇嘴的黄飞红其实才是真正的高手，最终打败刘星并将其擒获。
真相最终大白，原来刘金水的父亲和二叔正是当年名噪一时的博物馆大盗。闯荡多年，刘金水的父亲积攒下了大笔的财富却没有一个家，所以在临终前留下遗嘱：只要刘金水在30岁前结婚，将会继承其所有的财富。而刘金水的二叔为了阻止这笔巨大的财富落到刘金水手中，几年间杀死了刘金水的数名男友，阻止其结婚。
在为父亲留给自己的最后遗物—“寂寞的眼泪”被归还博物馆而伤心的刘金水却意外得知，原来父亲还有一样东西留给她，就是一副并非无价之宝但却充满了家的温馨的手绘画—“莉莉之海”。
“微笑杀人案”与“博物馆被盗案”的破获，警局上下皆大欢喜，黄飞红顺利退休、Angela也成功升职。假扮王不二未婚妻的刘金水渐渐对王不二产生了感情，而一直与王不二是欢喜冤家的女上司Angela也一直在追求王不二。王不二告诉刘金水，他已经心有所属，Angela很是得意，以为王不二心中之人是她，但很快发现，原来王不二最感兴趣的竟是屡次抢走刘金水男友的姐姐戴依依。刘金水终究难逃宿命，心目中的男友再一次的被姐姐戴依依抢走，而一直向王不二发出委婉表白的Angela也有一种被耍弄的感觉，愤怒的二女联手将王不二打上了天……
