悬疑剧《谁是凶手》由一起17年前的凶杀案开局，剧中赵丽颖饰演的沈雨是一名心理主治一生，17年前，她拿着警方的通告，在警局门口徘徊，最终她选择了沉默，因为通缉的这个人和她有着千丝万缕的联系。
夏木作为夏金兰案发的目击者，他无法忍受老师在自己的眼皮子底下遇害，十七年后的今天，夏木带着复仇之念来到海舟警方报道。目的就是把当年的凶手绳之以法。
冷小兵深受十七年的愧疚，他后悔当年没有开枪，如今冷小兵带着徒弟夏木正式开启当年的海舟连环杀人案，在森林公园马煜案现场，夏木与冷小兵通过推测和摸排查访，锁定嫌疑人是肖华军，但他却有不在场的证明，而开证明的这个人是肖华军的心理医生沈雨，自此沈雨正式进入冷小兵的视线。
夏木因小时候的阴影得了创伤后应激障碍，在夏木跟踪沈雨的过程中，沈雨利用夏木的心理弱点，成功的摆脱了跟踪，而肖华军自杀现场存在诸多疑点。冷小兵已经怀疑这件事和沈雨密切相关。
当晚沈雨收到了陌生人的东西，她以熟练谨慎的手法打开箱子，看到了猴型卡通贴以及生日贺卡，而这个猴卡与十七年前夏木的一样，当年凶手临走前，特意拿走了这个卡通贴。
由此可见，凶手极有可能是沈雨的父亲沈海洋。并且沈海洋手上就有烫伤疤痕，冷小兵去调查沈海洋的信息，得知他是精神科的医生，是有机会接触到麻醉和肌松药的，可个人资料却被刻意销毁，案件随之扑朔迷离。冷小兵意识到沈雨在刻意隐藏，甚至她名为心理医生，但她的心理却有很大的问题，而夏木去找沈雨去治疗心理阴影，却被沈雨催眠利用，冷小兵及时发现问题，才避免夏木越陷越深。
后来意外再次发生，犹如当年的夏金兰案一样。同样的作案手法，同样的单身女青年遇害。如今侦查技术的提升，让冷小兵和夏木在现场查到蛛丝马迹。而背后依旧有沈雨的影子，冷小兵与夏木决定兵分两路，一方面调查凶手，一方面全天监控沈雨的一举一动。
在大结局中，沈雨与凶手双双落网，海舟连环杀人案终于告破，而凶手就是沈海洋，沈雨之前的所作所为就是为了保护她。
原来自从沈雨母亲去世后，沈海洋一度惆怅，后来又因为被别的女人骗光家产，沈海洋精神崩溃以暗害来发泄不满。直到被绳之以法才结束了他罪恶的一生。
