スウェーデンを揺るがせた財界汚職事件の告発記事を書きながらも、名誉棄損で敗訴したミカエル・プルムクヴィスト（ダニエル・クレイグ）。意気消沈の日々を送っていた彼のもとに、ある日、スウェーデン有数の財閥ヴァンゲルの元会長ヘンリック・ヴァンゲル老人（クリストファー・プラマー）から家族史編纂の依頼が舞い込む。しかしそれは表向きで、ヘンリックの真の目的は40年前に起きた親族の娘ハリエット失踪事件の真相究明だった。40年前に一族が住む孤島から何の痕跡も残さずに消えた少女ハリエット。ヴァンゲルは彼女が一族の誰かに殺害されたと信じていた。依頼を受けて調査を開始したミカエルは、成功の裏に隠された一族の血塗られた過去に気づいたものの、手掛かりが掴めずにいた。すると、一族の弁護士から天才的な資料収集能力の持ち主として、ある人物を紹介される。リスベット・サランデル（ルーニー・マーラー）という名の、顔色が悪くガリガリにやせた女だった。小柄なリスベットは、肩口から背中にかけて、異彩を放つ龍の刺青が彫られていた。そして意外なことに、彼女はこの事件に異様な関心を示す。やがて彼女は、ハリエットの日記に記された聖書にまつわる数字が、ロシアの国境付近で未解決のままとなっている連続猟奇殺人事件と関連があることを突き止めるのだが……。