《寒战2》剧情讲述了经过寒战行动后，刘杰辉虽然升任警务处处长，但昔日的凶徒不仅逍遥法外，甚至要将行动进一步的升级绑架他的妻儿。

刘杰辉（郭富城饰）荣升警队一哥后，他的妻儿却遭遇了歹徒绑架，对方要求警队以李家俊（彭于晏饰）为交换。虽然费尽心机，但最终被对方得逞，李家俊逃跑，而刘杰辉也由于违反警队规定擅自行动，遭遇香港司法机关质询。刘杰辉一心要揪出绑架案的幕后黑手，而引咎辞职的前警务处行动副处长李文彬，受到已退休的前警务处长蔡元祺（张国柱饰）的蛊惑，在质询过程中临阵倒戈，引发了刘杰辉被弹劾的危机。

同时，立法会议员简奥伟（周润发饰），对李文彬的倒戈也充满疑虑，派出自己的爱徒欧咏恩调查李文彬的行踪，从而发现了李文彬与逃跑的李家俊以及蔡元祺有接触。欧咏恩后来在跟踪过程中被蔡元祺一伙发现，最终死于车祸。欧咏恩的死激怒了简奥伟，使他也加入到了对李文彬的调查之中。简奥伟通过欧咏恩留下的云端文件，获得了李文彬跟李家俊、蔡元祺密会的照片。而刘杰辉也通过反间谍的方式，发现了警队中李文彬的眼线，并顺藤摸瓜找到了蔡元祺藏匿之前失踪冲锋车的地点，同时通过调查发现了蔡元祺控制香港警队信息系统的证据，并最终一举破坏了蔡元祺的阴谋。而更深层次原因——律政司司长黎永廉（李子雄饰）想要竞选香港特首，进而控制香港政府的政治阴谋，依然藏在水下未被揭开。