À Boston, une lutte sans merci oppose la police à la pègre irlandaise. Pour mettre fin au règne du parrain du grand banditisme, Frank Costello (Anthony Hopkkins) la police infiltre son gang avec un flic issu des bas quartiers et très peu apprécié de la hiérarchie, Billy Costigan (Léonardo DiCaprio).
Tandis que Billy s'efforce de gagner la confiance du malfrat vieillissant, Colin Sullivan (Matt Damon) entre dans la police au sein de l'unité spéciale chargée d'éliminer Costello. Mais Colin est surtout un agent double, un protégé de Costello qui l'informe des opérations qui se trament contre lui.
Risquant à tout moment d'être démasqués, Billy et Colin sont contraints de mener une double vie qui leur fait perdre leurs repères et leur identité. Traquenards et contre-offensives s'enchaînent jusqu'au jour où chaque camp se rend compte qu'il héberge une taupe. Une course contre la montre s'engage entre eux avec un seul objectif: découvrir l'identité de l'autre sous peine d'y laisser sa peau.
