《至死不渝》中，调查员周书恒（张奕恺饰）能力出众，却始终情感淡漠。调任CID重案组的第一天，他便接手了一宗轰动全城的凶杀案：赵敏怡残忍地将丈夫霍建宇刺杀62刀，却无论如何都不肯交代自己的犯案动机。案件疑点重重，也因此引起检控官周可盈（洪凌饰）的关注。
可盈与书恒虽以姐弟相称，却没有血缘关系。可盈自幼失去母亲，十岁时被书恒的父母收养，两人的人生从此紧密交织。随着调查深入，多宗令人发指的案件接连发生，其中包括人气女星Jenna遭人肢解，尸体残肢甚至被烹煮在麻辣汤中的离奇命案。书恒和可盈逐渐陷入一张由秘密、背叛及复杂关系编织而成的庞大网络。
书恒的父亲、知名律师周泓涛（郭亮饰），也因为多名关键嫌犯而被牵连其中。随着案情推进，周家隐藏多年的秘密开始逐一曝光。此时，法医精神科专家Dr Susan Su（林湘萍饰）加入调查团队，在协助警方剖析嫌犯心理的同时，也揭开了可盈尘封已久的身世谜团。Susan掌握着与可盈失踪生母有关的重要线索，而这段困扰可盈多年的往事，也在调查中逐渐浮出水面。
案件更从新加坡延伸至西雅图，一宗横跨数十年的悬案重新进入众人视野，可盈母亲的遗骸最终被发现。与此同时，书恒被诊断患有述情障碍Alexithymia，长期无法理解和表达自己的情感。在Susan的引导下，他开始面对童年创伤，踏上探索内心的道路。随着封闭已久的情感逐渐苏醒，书恒终于明白，自己真正深爱的人并不是目前交往的对象，而是可盈。
然而，当两人终于看清彼此的感情时，新的命案却突然发生，而凶手所采用的手法，竟与可盈母亲当年的死亡案件如出一辙。面对真凶或许一直潜伏在身边的可怕可能，书恒与可盈必须赶在悲剧重演之前揭开真相。他们能否找出隐藏在阴影中的凶手，又能否跨越各自的伤痛与心结，最终选择彼此？
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