1971年夏天的一个夜晚，在江陵市医化所助理陈小小的实验室内，助手张秀秀突然死亡，这一事件掀开了一段扑朔迷离的谜团。陈小小被指控逼人致死，而她的未婚夫路沙也因此而陷入了困境。

年轻的侦查员李安被卷入了这个案件，她在调查的过程中开始怀疑案件的真相。虽然一切看似已经水落石出，但李安对于陈小小的无辜产生了怀疑。在一个重要的时刻，路沙的获奖让他们回忆起了过去。这时，李安偶然发现了一张陈小小和路沙的合影，这张照片引发了她对整个案件的重新思考。

李安开始深入调查，她与陈小小进行了审问，但陈小小一直否认任何疑点。然而，李安并不轻易放弃，她了解到陈小小多年来一直在申诉案件，但每次都被驳回。陈小小的精神状况受到了严重摧残，使得她对于案件的细节已经模糊不清。李安决心用真诚的心去接触陈小小，以期打破她的防线。

然而，事情并不顺利，陈小小被秘密禁闭，她们的安全受到威胁。李安为了唤起陈小小对生活的勇气，不得不做出艰难的决定，以牺牲自己的感情。最终，陈小小敞开了心扉，将埋藏在内心深处的秘密告诉了李安。真相终于大白，原来这一切都与陈小小的老师、路沙的舅舅康亦秋有关，他是背后的幕后黑手，为了保守研制的杀人药物R4，不惜置人性于不顾。

在这次侦破中，李安不仅揭开了案件的真相，还逮捕了林彪集团的余孽、农场场长的后台、指使康亦秋的人，即自己的顶头上司冯科长。陈小小最终得以洗刷清白，而李安则默默地离开了这一切，她的勇气和坚持为正义而战的精神，让人们铭记于心。