故事发生在1954年，联邦执法官泰德·丹尼尔（莱昂纳多·迪卡普里奥饰）和上级新派来的搭档查克（马克·鲁弗洛饰）奉命上岛调查此事，主管医生考利接待了他们并负责协助调查。而泰德此行前来还有一个隐秘的目的：寻找让妻子葬身火海的凶手莱迪斯。调查过程中，越来越多的证据证明了泰德的推断：在这66名有档案的精神病罪犯外，还有一名编号67的人存在，但无论狱警还是医生或者其他病人，对此都矢口否认。

泰德深信这个67号就是杀害他妻子的凶手莱迪斯，而且这里一定有一个天大的阴谋。但他的同伴查克提醒他这可能是政府的秘密试验所，而政府派泰德来，是因为泰德在遭受妻子惨死后遗留精神创伤，是他们最好的实验对象，泰德予以否认，说来这里调查此案是他自己申请的，他怀疑导致自己妻子惨死的凶手就被人藏匿在这个岛上，事情变得扑朔迷离。泰德在调查中偏头疼的症状越来越严重，经常出现幻觉和噩梦，参军时纳粹集中营的惨象不断闪现在他眼前，他发誓不再让纳粹的行径出现在这里。

在山崖一处隐秘的山洞，泰德发现了失踪的女犯人雷切尔，雷切尔告诉他，她本来是这里的精神病医生，政府在这里进行惨无人道的活体实验，她无法接受事实，被其他人设计陷害，被当作“精神病人”看押起来，她才设计逃跑的。雷切尔告诉泰德，想解开这个秘密，就要去灯塔上，因为那里是这一切的根源。泰德强忍着头疼和幻觉，潜到灯塔上，却发现只有一个看守，他打晕看守抢过枪冲上顶楼，却发现岛上的主管医生考利一直在等着他的到来，而灯塔上也没有任何进行人体试验的痕迹和证据，只有一间简陋的办公室。考利向泰德说出了所有事情的原因，而他的搭档查克则解释说自己其实是泰德两年来的首席治疗师希恩，令泰德有如晴天霹雳般震惊。