2005年、スウェーデンで出版された一冊のミステリー小説が発売と同時に爆発的な売り上げを記録し、社会現象を巻き起こした。後に世界中を熱狂させることになるその本のタイトルは「ミレニアム ドラゴン・タトゥーの女」。
その原作に魅了された読者の一人が「セブン」「ファイト・クラブ」などの鬼才、デーヴィッド・フィンチャー監督。アカデミー賞候補にのぼった前作「ソーシャル・ネットワーク」に続くプロジェクトとして彼が着手したのが、この「ミレニアム」三部作の映画化だった。
“名探偵”の異名を持つ記者ミカエル役には「００７」シリーズのダニエル・クレーグ。異様な風貌の女性ハッカー、リスベット役に「ソーシャル・ネットワーク」のルーニー・マーラ。そのほか「終着駅」のクリストファー・プラマー、「50歳の恋愛白書」のロビン・ライト、「マンマ・ミーア！」のステラン・スカーシュゴードらが共演している。
雑誌ミレニアムの発行責任者ミカエル・ブルムクヴィスト（クレーグ）は真実を追究し、権力と真っ向から戦ってきた敏腕ジャーナリスト。だが実業界の大物ヴェンネルストレム氏を武器の密売容疑で告発した際、逆に名誉毀損で訴えられ、有罪判決を受けて記者生命を奪われてしまう。そんな彼の動向をつぶさに観察している女性がいた。子どものように小柄で痩せた身体、ピアスだらけの顔……セキュリティー会社の調査員リスベット（ルーニー）だ。ある依頼を受け、彼の身辺調査をしていたリスベットは、ミカエルが無実であり、裁判でハメられたと確信していた。
クリスマス。思わぬ人物の呼び出しを受けたミカエルはストックホルムから人里離れたヘーデビー島へと向かう。そこで彼を待っていたのは、大企業ヴァンゲル・グループの元会長ヘンリック（プラマー）だった。