Zwei Jahre nach den Terroranschlägen vom 11. September 2001 kommt die junge CIA-Analytikerin Maya (Jessica Chastain) nach Pakistan und stößt dort in einem geheimen Gefängnis, einer black site, auf ihren Kollegen Dan (Jason Clarke), der bereits angefangen hat, den Widerstand des Gefangenen Ammar (Reda Kateb) zu brechen. „Wird er jemals freikommen?“, fragt Maya. Dans Antwort lautet: „Niemals.“

Ammar stammt aus Saudi Arabien und soll an einen der Flugzeugentführer vom 11. September 2001 Geld überwiesen haben. Die CIA will von ihm Hinweise auf die sogenannte „Saudi-Gruppe“ erhalten, in der Vertraute des al-Qaida-Anführers Osama bin Laden (Ricky Sekhon) vermutet werden.

Ammar steht in einer Halle und ist mit ausgebreiteten Armen angekettet. Dan droht ihm wiederholt Schmerzen an und unterzieht ihn der Prozedur des Waterboarding. Schließlich reißt er dem Moslem vor den Augen der jungen Frau die eingenässten, eingekoteten Hose herunter, bindet ihm ein Hundehalsband um und öffnet die Handschellen. Ammar muss mit nacktem Unterkörper auf allen Vieren herumkriechen wie ein Hund. Dann sperrt Dan ihn in eine enge Kiste.

Am Morgen des 29. Mai 2004 stürmen Terroristen von al-Quaida zwei vorwiegend von westlichen Ausländern bewohnte Anlagen in der saudiarabischen Ölstadt al-Chobar, schießen um sich und nehmen etwa 50 Geiseln. In der folgenden Nacht beenden saudische Spezialeinheiten die Geiselnahme. Bei dem Anschlag und der Befreiungsaktion kommen 22 Menschen ums Leben.

Ammar befindet sich noch immer auf der black site in Pakistan. Während er wieder mit ausgebreiteten Armen angekettet in der Halle steht, wird er mit dröhnender Musik beschallt. Nach 96 Stunden Schlafentzug behaupten Dan und Maya, Ammar habe ihnen Namen aus der Saudi-Gruppe verraten, könne sich aber jetzt wohl aufgrund der Stresssituation nicht mehr daran erinnern. Da nennt der desorientierte und erschöpfte Gefangene drei Namen, darunter den eines Mannes namens Abu Ahmad al-Kuwaiti (Tushaar Mehra), der als Kurier für Osama bin Laden tätig sein soll.

Im morgendlichen Berufsverkehr am 7. Juli 2005 in London sprengen sich vier Selbstmordattentäter in einem Bus und drei U-Bahnen in die Luft. Dabei sterben 56 Menschen. Im September übernimmt al-Quaida die Verantwortung für die Terroranschläge in London.

Bei Befragungen von Gefangenen auf einer black site in Danzig und im Bagram Detention Center in Afghanistan stoßen Dan und Maya auf den Namen Abu Faraj al-Libbi (Yoav Levi). Mit Unterstützung der pakistanischen Polizei gelingt es der CIA-Agentin, den Mann in ihre Gewalt zu bekommen. Sie lässt ihn schlagen und durch Waterboarding foltern, aber er beteuert, keinen Abu Ahmad zu kennen.

Dan ist so ausgepowert, dass er sich nach Washington, D. C., zurückbeordern lässt.

Maya sitzt am 20. September 2008 mit der befreundeten Kollegin Jessica (Jennifer Ehle) im Marriott-Hotel in Islamabad beim Essen, als vor dem Gebäude ein mit Sprengstoff gefüllter Muldenkipper explodiert. Bei dem Terroranschlag werden 53 Menschen getötet und 260 verletzt. Vor der zerstörten Front des Hotels klafft ein 20 Meter breiter und 6 Meter tiefer Krater. Maya und Jessica können sich unverletzt aus dem Gebäude retten.

Einige Monate später wird die CIA auf ein Mitglied der Terrororganisation al-Quaida aufmerksam, das zur Zusammenarbeit mit der CIA bereit sein soll. Es handelt sich um den jordanischen Arzt Human Khalil al-Balawi (Musa Sattari). Jessica verabredet sich mit ihm am 30. Dezember 2009 im Camp Chapman bei der afghanischen Stadt Khost. Der vermeintliche Überläufer zündet jedoch nach der Ankunft eine Autobombe. Jessica ist unter den sieben Toten.

Vom saudischen Geheimdienst erfährt die CIA, dass Abu Ahmad 2001 ums Leben gekommen sein soll. Hat Maya seit Jahren nach einem Mann gesucht, der längst tot ist? Sie gibt nicht auf und vermutet schließlich, dass nicht Abu Ahmad, sondern dessen älterer Bruder Habib 2001 in Afghanistan getötet wurde. Beim Vergleich von Fotos stößt sie auf den Namen Ibrahim Sayeed, dessen Träger mit Abu Ahmad identisch zu sein scheint. Sie bittet Dan, ihr bei der Fahndung nach diesem Mann zu helfen.

Dan lässt sich von der CIA einen größeren Geldbetrag bewilligen, fliegt nach Kuwait und besticht dort einen Geschäftsmann (Ashraf Telfah). Als Gegenleistung für einen Lamborghini erhält er die Telefonnummer der Mutter von Ibrahim Sayeed.

Am 1. Mai 2010 meldet ein Straßenverkäufer der Polizei einen am Times Square in New York geparkten Geländewagen, von dem Qualm aufsteigt. Tatsächlich befinden sich in dem Fahrzeug drei Bomben, deren Zündung allerdings versagte.

Die CIA verfolgt inzwischen alle Anrufe, die Ibrahim Sayeeds Mutter erhält. Ein Mann, von dem Maya vermutet, dass es sich um den Gesuchten handelt, ruft immer nur kurz von wechselnden Orten an. Durch Peilungen lokalisieren die Geheimagenten das Gebiet, in dem er sich bewegt, und es gelingt ihnen, den Anrufer am Lenkrad eines weißen SUV zu fotografieren. Das Bild wird an alle Posten verteilt.

Als Maya aus der Garage eines CIA-Quartiers in Pakistan fährt, wird sie von zwei Männern mit automatischen Waffen beschossen. Wenn ihre Windschutzscheibe nicht aus kugelsicherem Glas wäre, hätte sie keine Überlebenschance. Nach einer kurzen Schockstarre legt sie den Rückwärtsgang ein und kehrt in die Garage zurück, während ein Wachposten das Feuer auf die Attentäter eröffnet, die daraufhin in ihr Auto springen und flüchten.

Der weiße SUV wird am Tor eines mit einer fünfeinhalb Meter hohen Betonmauer gesicherten 3500 Quadratmeter großen Anwesens in Abbottabad beobachtet, das daraufhin genauer unter die Lupe genommen wird. Es fällt auf, dass die Fenster der 2003 bis 2005 errichteten und 2006 bezogenen Wohnanlage sehr klein sind und der Balkon des dreistöckigen Haupthauses mit einer zwei Meter hohen Wand gegen Sicht geschützt ist. Es gibt auf dem Anwesen weder einen Telefon- noch einen Internet-Anschluss, und es werden auch keine Handy-Telefonate geführt. Auf Satellitenbildern sind drei Frauen, zwei Männer und mehrere Kinder zu sehen, die auf dem Anwesen wohnen. Ein dritter Mann bewegt sich nur in einem Laubengang im Freien und verlässt das Anwesen überhaupt nicht. Maya ist überzeugt, dass es sich bei ihm um Osama bin Laden handelt. Das sagt sie auch dem CIA-Direktor (James Gandolfini). Aber Gewissheit gibt es keine, zumal nicht einmal der Müll durchsucht werden kann, weil die Bewohner des Hauses ihn verbrennen. Ein pakistanischer Arzt leitet im März 2011 im Auftrag der CIA eine kostenlose Impfkampagne in Abbottabad, aber es gelingt nicht, an DNA-Material aus dem streng gesicherten Anwesen zu kommen. Der Sicherheitsberater (Stephen Dillane) des US-Präsidenten sieht keine Möglichkeit, die Anwesenheit Osama bin Ladens in der Wohnanlage bestätigt zu bekommen: „Wen zur Hölle soll ich fragen? Einen Kerl in Guantanamo, der sich einen Anwalt nimmt?“

Maya ist sich ihrer Sache so sicher, dass sie die Tötung der Bewohner durch einen Bombenabwurf befürwortet. Stattdessen wird jedoch eine Erstürmung des Anwesens durch die United States Naval Special Warfare Development Group (DEVGRU) beschlossen.

Auf der Bagram Air Base üben die Elitesoldaten dieser Spezialeinheit der US Navy zur Terrorismusbekämpfung anhand eines Modells der Wohnanlage in Abbottabad die Operation „Neptune’s Spear“.

Am 1. Mai 2011, nach Einbruch der Dunkelheit, klettern zwei Dutzend Marines der DEVGRU auf der Forward Operation Base in Dschalalabad in zwei Hubschrauber und brechen ins 300 Kilometer entfernte Abbottabad auf. Der erste Hubschrauber, der auf dem Flachdach des Hauptgebäudes landen sollte, gerät außer Kontrolle und wird schwer beschädigt, aber die Insassen können sich unverletzt abseilen. Der zweite Hubschrauber landet auf dem Grundstück. Um 0.30 Uhr Ortszeit – im Militärjargon: zero dark thirty – beginnt die Erstürmung des Gebäudes. Die mit Nachtsichtgeräten ausgerüsteten Soldaten sprengen eine Stahltüre nach der anderen auf.

Abu Ahmad schießt auf die Soldaten, die ihn daraufhin zusammen mit seiner Frau töten. Nachdem weitere zwei Männer erschossen wurden, stößt einer der Angreifer im zweiten Stockwerk auf Osama bin Laden und tötet ihn mit einem Kopfschuss. Aus Dschalalabad trifft die Warnung ein, dass die inzwischen alarmierte pakistanische Luftwaffe in 14 Minuten eintreffen werde. In einem Arbeitsraum stehen mehrere PCs. Fieberhaft bauen die Amerikaner Festplatten aus, packen Akten und andere Datenträger ein. Osama bin Laden wird in einem Leichensack zu dem intakten Hubschrauber gebracht. Den kaputten Helikopter sprengen die Soldaten, bevor sie den Ort verlassen.

In Dschalalabad wartet Maya auf sie. Sie öffnet den Leichensack und bestätigt, dass es sich bei dem Toten zweifellos um Osama bin Laden handelt.

Bald darauf klettert sie in eine Lockheed AC-130, die sie aus dem Land bringen wird. Weil sie die einzige Passagierin ist, meint der Pilot (Ben Parrillo), sie müsse wichtig sein. Seine Frage, wo sie hinwolle, lässt sie unbeantwortet. Während sie beim Start allein in der riesigen Kabine sitzt, weint sie.