Elokuva alkaa välittömästi siitä, mihin Tyttö joka leikki tulella päättyi. Vakavasti loukkaantunut Lisbeth Salander (Noomi Rapace) kuljetetaan helikopterilla sairaalaan Göteborgiin, jossa hän toipuu päähänsä saamasta luodista. Samaan sairaalaan tuodaan myös hänen haavoittunut isänsä, entinen Neuvostoliiton vakooja Alexander Zalachenko.
Samaan aikaan kun Salanderia vartioidaan sairaalassa odottamassa oikeudenkäyntiä kolmesta murhasta, Ruotsin suojelupoliisin (Säpo) sisällä toimiva salainen ja korruptoitunut ydinryhmä, "Osasto", aktivoituu. He haluavat vaimentaa Salanderin ja Zalachenkon lopullisesti suojellakseen valtion kylmän sodan aikaisia salaisuuksia.
Mikael Blomkvist (Michael Nyqvist) ja Millennium-lehden toimitus aloittavat elämänsä vaarallisimman tutkinnan. He kirjoittavat jymypaljastusta, joka paljastaa viranomaisten vuosikymmeniä jatkuneen korruption, laittomat tarkkailut ja sen, miten Lisbeth suljettiin lapsena mielisairaalaan syyttömänä. Tarina huipentuu intensiiviseen ja dramaattiseen oikeudenkäyntiin, jossa Lisbeth astuu oikeussaliin täydessä punk-asussaan haastaen koko valtiokoneiston.
Toisin kuin kaksi ensimmäistä osaa, tämä elokuva on enemmän poliittinen salaliittotrilleri ja oikeussalidraama kuin perinteinen takaa-ajoleffa. Lisbeth viettää suuren osan elokuvasta sairaalassa ja vankilassa, joten Blomkvist kantaa suuren osan toiminnallisesta vastuusta.
Lisbeth Salanderin astuminen oikeussaliin on yksi koko sarjan ikonisimmista hetkistä. Hän käyttää piikkipantaa, vahvaa meikkiä ja mohikaanitukkaansa osoittaakseen halveksuntansa häntä alistanutta järjestelmää kohtaan.
Lisbethin kivulle immuuni velipuoli Niedermann (Mikael Spreitz) on edelleen vapaana ja janoaa kostoa. Hänen ja Lisbethin lopullinen kohtaaminen hylätyssä tehtaassa tarjoaa elokuvalle rajun ja tyydyttävän sivujuonen päätöksen.
