《惊天奇案》将故事设定在上世纪四十年代的上海。上海知名舞馆群芳楼迎来了两位美若天仙的舞女齐灵和阎希希，她们表演的一支孔雀舞艳压群芳。然而，每次舞蹈结束后，都会有人离奇死亡。究竟是情杀还是仇杀？看似毫无关联的案件，背后却牵扯出错综复杂的罪恶与谜团。
连环命案令警方和黑帮势力都陷入恐慌。上海滩名探洪天与队长钱多多，都是副局长史伯年（番俊饰）的干儿子。两人联手展开调查，却始终被重重疑云阻挡，诡异的杀人事件更如同一场无法停止的游戏，不断再次上演。
调查过程中，洪天得罪了黑道大佬沈千山，沈千山也一直伺机报复。一天夜里，洪天回到警局，发现那里吊着一具血淋淋的尸体，由此想起三十年前家族惨遭无头血杀的旧案。与此同时，上海滩六位名人也被卷入这场迷局。风云骤起，人心惶惶，众人已难以分辨究竟是他杀还是自杀。洪天和钱多多一边追查线索，一边竭力保护齐灵与阎希希，以免她们遭遇杀身之祸。一段尘封多年的往事，也由此被重新卷入这场惊天奇案。
