Talousrikollisen ansaan ajama tutkiva toimittaja Mikael Blomkvist (Michael Nyqvist) saa tuomion kunnianloukkauksesta ja vetäytyy sivuun Millennium-lehdestään. Hänet palkkaa varakas teollisuusmagnaatti Henrik Vanger (Sven-Bertil Taube), joka haluaa Blomkvistin selvittävän veljentyttärensä Harrietin mystistä katoamista. Harriet katosi jälkiä jättämättä saarelta vuonna 1966, ja Henrik on vakuuttunut, että joku hänen omasta, kieroutuneesta suvustaan murhasi tytön.
Blomkvist saa tutkimuksissa avukseen nuoren, asosiaalisesti käyttäytyvän mutta nerokkaan tietokonehakkerin Lisbeth Salanderin (Noomi Rapace). Yhdessä he alkavat käydä läpi Vangerin suvun synkkää historiaa ja vanhoja valokuvia. Pian he huomaavat, että Harrietin katoaminen kytkeytyy useisiin vuosikymmeniä sitten tapahtuneisiin, uskonnollisiin ja poikkeuksellisen raakoihin naismurhiin.
Elokuva on tunnettu tinkimättömästä ja erittäin raa'asta otteestaan naisiin kohdistuvaan väkivaltaan. Elokuvan kuohuttavin ja vaikein osio liittyy Lisbeth Salanderin uuteen holhoojaan, Nils Bjurmaniin (Peter Andersson), joka käyttää asemaansa väärin ja käyttää Lisbethiä seksuaalisesti hyväkseen.
Kohtaukset ovat erittäin graafisia ja synkkiä, mutta ne ovat tarinan kannalta kriittisiä: ne johtavat Lisbethin veriseen kostoon ja selittävät hänen syvää vihaansa naisia alistavia ja vihaavia miehiä kohtaan.
