第5个空弹壳讲述了刑警田志平与罪犯苇子之间延续二十年的恩怨。二十年前，田志平亲手将苇子逮捕，并收养了他的女儿小梅，后来还与小梅的母亲卜玉琴结为夫妻。转眼二十年过去，小梅在田志平的呵护下长大，始终不知道他并非自己的亲生父亲，一家人也一直过着相亲相爱的生活。
被判无期徒刑的苇子在狱中接受改造，决心重新做人，盼望争取提前出狱后，找到深爱的妻子卜玉琴和女儿，陪她们度过余生。然而，当刑期只剩半年时，他从新入狱的李三宝口中得知，妻女早已与当年逮捕自己的田志平组成家庭。这个消息令苇子的性情彻底扭曲，他无法再安分服刑，最终杀人越狱，回到这座城市，开始寻找妻女并策划向田志平复仇。
二十年的监狱生活让苇子对城市变得十分陌生。通过昔日同伙、如今从事房屋中介生意的陈再勇，他找到了走私枪犯蔡大头，并买下一把枪。此后，苇子如同幽灵般潜伏在城中，为了扰乱警方视线，他有选择地杀死了几个仇人。警方通过网络上的通缉令展开全城搜捕，虎超负责指挥行动。与此同时，苇子与刚和虎超离婚不久、经营白牡丹美容厅的女老板关艳秋发生了关系。被爱情冲昏头脑的关艳秋在围捕关键时刻帮助苇子逃脱。
苇子还设法救下理发师乔小辉，因为乔小辉正与自己的亲生女儿小梅相恋。他借此接近小梅，想更多地了解女儿。昔日同伙陈再勇察觉到苇子的威胁，决定先下手为强，却最终死在苇子手中。
卜玉琴试图彻底忘记二十年前的往事，小梅却因一次偶然事件开始怀疑自己的身世。当她向母亲求证时，一向温和的卜玉琴突然大发雷霆，反而让她更加确信其中另有隐情。经过多方打听，小梅确认田志平并非自己的亲生父亲。田志平担心女儿的安全，极力阻止她寻找生父，也因此与小
