《全城通缉》讲述了一个被十年前谜团牢牢困住的男人。精英警员唐越（刘烨 饰）独自住在城市一处即将拆除的破旧老楼中，始终等待着失踪十年的女友徐雅（吴佩柔 饰）归来。为了寻找她，他甚至辞去了工作，却依然没有得到任何有价值的消息。徐雅失踪前只留下一句“找到我，我就嫁给你”，这句话如同无法破解的谜语，让唐越始终无法走出过去。
与此同时，电视上频繁出现外资银行中国区副总裁邵云峰（赵文卓 饰）与白氏集团负责人白晓芸的身影。看似风光的邵云峰，却与唐越存在着千丝万缕的联系，而十年前被唐越开枪射杀的女劫持者（秋瓷炫 饰），也一直是他挥之不去的噩梦。
不久之后，白晓芸惨遭杀害，她的妹妹白晓若（娜扎 饰）找到唐越，请求他追查姐姐的死因，并承诺以此交换，帮助他寻找徐雅。调查过程中，唐越却意外见到了那个本应早已死去、曾被自己亲手枪杀的女人。随着尘封往事逐渐浮出水面，一场笼罩整座城市的追凶行动就此展开。
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