Alemania después de la II Guerra Mundial. Michael Berg (David Kross), un chico de 15 años, pierde el conocimiento mientras regresa del colegio. Hanna Schmitz (Kate Winslet), una mujer seria y reservada que le dobla la edad, lo recoge y lo lleva a su casa. Entre ambos surge un apasionado y secreto idilio que se ve interrumpido por la misteriosa desaparición de Hanna. Ocho años más tarde, siendo estudiante de Derecho, Michael vuelve a verla, pero en una situación que nunca hubiera podido imaginar.

En Estocolmo, Suecia, la hacker vigilante Lisbeth Salander es contratada por el programador informático Frans Balder para recuperar Firefall, un programa capaz de acceder a los códigos nucleares del mundo que él desarrolló para la Agencia de Seguridad Nacional, ya que Balder cree que es demasiado peligroso que exista. Lisbeth recupera con éxito Firefall de los servidores de la NSA, atrayendo la atención del agente Edwin Needham, pero no logra desbloquearlo y posteriormente el programa es robado por mercenarios liderados por Jan Holtser, quienes también intentan matar a Lisbeth. Cuando ella no se presenta a su cita programada, Balder cree erróneamente que Lisbeth decidió quedarse con Firefall para ella misma y contacta a Gabrielle Grane, la subdirectora del Servicio de Seguridad Sueco (Säpo), quien traslada a Balder y a su hijo pequeño August a una casa segura. Mientras tanto, Needham rastrea el inicio de sesión no autorizado hasta Estocolmo y llega en busca de Lisbeth y Firefall.