Действие разворачивается в конце 1960-х годов в Северной Калифорнии. В ночь на 4 июля 1969 года на уединённой стоянке у озера Зодиак убивает двух подростков. Это его первое известное преступление. Вскоре в редакции газет начинают поступать письма от человека, называющего себя «Зодиаком». Он берёт на себя ответственность за убийство и присылает шифр, который, по его словам, раскроет его личность.
В расследование оказываются втянуты несколько человек из разных сфер:
Роберт Грейсмит — карикатурист из газеты San Francisco Chronicle. Он не детектив, а художник, но его острый ум и внимание к деталям привлекают его к делу.
Пол Эйвери — криминальный репортёр той же газеты, циничный и опытный журналист.
Дэйв Тоски — инспектор полиции из Сан-Франциско, который ведёт дело официально.
Грейсмит начинает изучать письма Зодиака и его шифры. Он замечает детали, которые упускают другие, и становится одержим идеей разгадать тайну.
Зодиак продолжает убивать (нападение на таксиста Пола Стайна) и издеваться над полицией и прессой. Он звонит в редакции прямо из телефонных будок, хвастаясь своими преступлениями. Полиция пытается устроить ему ловушку, но убийца снова ускользает.
Грейсмит, анализируя почерк и стилистику писем, приходит к выводу, что Зодиак — это не просто маньяк, а человек с определёнными знаниями и навыками. Он находит связь между убийствами и географическими ориентирами на карте.
Расследование приводит команду к Артуру Ли Аллену — бывшему учителю, который был судим за сексуальные домогательства к несовершеннолетним. У него находят часы, принадлежавшие одной из жертв, и он соответствует описанию свидетелей.
Однако прямых улик против Аллена нет. Более того, он проходит тест на полиграфе (детекторе лжи), результаты которого оказываются неубедительными. Дело заходит в тупик.
Постепенно расследование разрушает жизни главных героев. Эйвери спивается от постоянного стресса. Тоски, уставший от бюрократии и отсутствия результатов, переводится в другой отдел. Грейсмит настолько погружается в дело, что это разрушает его брак — жена уходит от него, не выдержав его одержимости.
Грейсмит увольняется из газеты и продолжает расследование как частное лицо. Он тратит годы на изучение дела, просиживая в архивах и библиотеках.
Спустя много лет, в 1991 году, Грейсмит находит новую зацепку: свидетели опознают Аллена по фотографии. Также выясняется, что Аллен носил обувь той же марки, следы которой были найдены на месте одного из преступлений.
Фильм заканчивается тем, что мы видим постаревшего Грейсмита, который уверен, что раскрыл личность убийцы. Однако Артур Ли Аллен умирает в 1992 году от естественных причин, так и не представ перед судом. Дело Зодиака официально остаётся нераскрытым.
В эпилоге сообщается, что отпечатки пальцев Артура Ли Аллена не совпали с отпечатками на почтовых конвертах Зодиака, а ДНК-тесты, проведённые позже, также не дали точного ответа. Тайна Зодиака осталась нераскрытой.