《湄公河行動》是由發生在 2011 年的一樁真實慘案改編,2011 年 10 月 5 日,13 名中國籍船員在湄公河水域遭遇襲擊,每個人都被蒙上眼睛,反綁手腳,以行刑式的手法身中數槍全部遇難,泰國軍警宣稱從船上搜出90萬顆冰毒,消息傳回國內,舉國震驚。
一開始,此案被定調為毒梟之間的黑吃黑,但中國公安部認為案件中有許多疑點,持續調查之後發現,原來是金三角大毒梟糯卡為了報復中國警方掃蕩毒品,與泰國不肖軍人惡意勾結,因此對中國船隻栽贓嫁禍並痛下毒手。
為了還給那 13 名慘死的同胞一個公道,雲南緝毒總隊長高剛(張涵予 飾)接受了中國公安部的特殊任務「湄公河行動」,率領幾名精英人員,潛入金三角查明真相,企圖揪出案件的幕後黑手。
此時,茶園老闆兼駐金三角情報員化名奇夫的方新武(彭于晏 飾) 也為此展開調查,方新武發現船上毒品乃是毒梟手下所收取的利益,他找到擔任毒梟的中間人,問出整起慘案是由泰國,寮國(老撾)緬甸和中國四國全力要聯手緝拿的幕後大毒梟糯卡。
高剛和方新武碰面後,擬定活捉大毒梟糯卡和他重要手下的計畫。先是喬裝進入山寨城中,從毒梟手中拯救重要證人,線人身分被識破,任務失敗。