Суд признает виновным Микаэля Блумквиста, который является совладельцем журнала «Миллениум», в клевете на бизнесмена Веннерстрёма. Блумквист получает денежное наказание, которое лишает его почти всех сбережений. Хакерша, занимающаяся взломом систем безопасности и внедрением в них вредоносных программ по имени Лисбет Саландер собирает для Хенрика Вангера, который является крупным промышленником и предпринимателем, в настоящее время находящимся в отпуске по болезни, подробное досье на Блумквиста, которого он планирует взять на работу. Официальный вывод Лисбет: Блумквист «чист и честен».
Дирк Фруде, адвокат Хенрика Вангера, приглашает Блумквиста в фамильное поместье в Хёдестаде. Вангер поручает Блумквисту выяснить обстоятельства бесследного исчезновения его племянницы Харриет Вангер, которая пропала на острове 40 лет назад. Предоставляемые стариком материалы включают в себя все документы, которые у него имеются, а также подробные полицейские отчёты. Хенрик убежден в том, что произошло убийство по вине одного из членов клана Вангеров. Неизвестный присылает Хенрику цветы, которые напоминают ему о подарках на дни рождения от Харриет. Он считает, что их посылает ее убийца. Вангер должен выплатить Блумквисту солидный гонорар, а также реабилитировать его в деле Веннерстрёма за счет имеющихся на него доказательств незаконной деятельности. Блумквист проживает в коттедже Хенрика на острове. Он занимается изучением фамильного дерева Вангера. Блумквист узнает от Сесилии Вангер, что ее сестра, Анита, была более близка с Харриет, чем другие. На призыв Блумквиста приехать в Лондон Анита отвечает отказом. Она ушла из семьи, когда ей было только восемнадцать лет, и не желает ничего знать о своих родителях.
При обыске в доме у Харриет Блумквист обнаруживает записную книжку, где перечислены женщины с пятизначными номерами напротив каждого имени. По предположению отставного полицейского Густава Морелля, который в свое время был одним из тех, кто вел дело Харриет, это могут быть телефонные номера. Однако он не может связать их с именами. Приехавшая к Блумквисту его дочь Пернилла, увлекающаяся современными религиозными взглядами, обращает внимание на то, что цифры в точности соответствуют библейским текстам. Каждый из этих стихов является отсылкой к книге Левит, в которой описываются преступления на религиозной почве, которые совершались в Швеции на протяжении многих лет. Эрика Бергер, являющаяся любовницей Блумквиста и совладелицей журнала «Миллениум», вместе с мужем приезжает на остров. Она понимает, что в связи с проигрышем дела Веннерстрёма журнал может оказаться на грани банкротства. Именно поэтому она соглашается на предложение Хенрика и его племянника Мартина Вангера, являющегося генеральным директором концерна Вангер, о вложении средств в издание. Сразу после этого у Хенрика случается сердечный приступ, а члены семьи Вангеров просят Блумквиста прекратить сбор информации о их семейных секретах.
При этом, несмотря на то, что Лисбет Саландер уже достигла возраста совершеннолетия, она все еще находится под опекой человека, который был приставлен к ней из-за того, что у нее было обнаружено психическое расстройство в детстве. На протяжении долгого времени ее опекуном был Хольгер Пальмгрен, однако у него случился инсульт. Адвокат Нильс Бьюрман, который стал новым опекуном для Саландер, начинает контролировать ее финансы и пытается контролировать её жизнь. При обращении Лисбет с просьбой о выделении средств на покупку нового компьютера, Бьюрман соглашается сделать это, при условии, что она сделает ему минет. Через несколько дней после этого Саландер просит еще больше денег на продукты и встречается с Бьюрманом в его квартире, где подвергается сильному физическому насилию со стороны своего опекуна. Через некоторое время она назначает ему встречу у себя дома, где оглушает его, после чего приковывает его обнаженного к кровати, сообщая, что последнее изнасилование было зафиксировано на скрытую камеру. Ее шантаж заключается в том, что она готова показать видеоролик с анальным сексом между ними всем СМИ, если он не вернет ей контроль над своими финансами и не будет способствовать тому, чтобы ее признали вменяемой и дееспособной. Для того, чтобы он не мог забыть о произошедшем, она наносит ему на живот татуировку с надписью «Я являюсь насильником и свиньей».
На фоне этого, Фруде предлагает Блумквисту взять Саландер в качестве напарницы и показывает ему очень подробный отчет проверки, которую она выполнила. В квартиру к Саландер приходит Микаэль, чтобы предложить помочь ему в поиске убийцы Харриет. Религиозным стихам Саландер придает значение, сопоставляя их с сериями убийств, которые происходили в период с конца 1940-х до середины 1960-х годов. Блумквист в это время изучает фотографии парада в Хёдестаде, предоставленные Хенриком, на котором присутствовала Харриет во время своего исчезновения. Снимок, на котором она изображена, показывает, что кто-то ее напугал. Именно благодаря фотографиям молодоженов, присутствовавших на аналогичном мероприятии в тот же день, Блумквист находит того самого человека, который так напугал Харриет. Им оказывается неизвестный в синей школьной форме. Одновременно с этим, Лисбет обнаруживает, что у всех погибших женщин были библейские (еврейские) имена. Кроме того, установлено, что члены семьи Вангер были нацистами. Лисбет по ходу выполнения задания соблазняет Блумквиста, и в результате его недолгих сопротивлений они становятся любовниками.
Микаэль узнаёт от Харальда Вангера, который является братом Хенрика и бывшим нацистом, что неизвестный на фото — это Мартин Вангер, который является двоюродным братом Харриет. При раскопках в архивах Хёдестада, Саландер удается обнаружить, что покойный отец Харриет и Мартина, Готфрид находился в командировке в каждом городе, где совершались убийства. Не смотря на это, последнее убийство было совершено в 1967 году спустя два года после смерти Готфрида, что указывает на то, что его совершил кто-то другой. Она узнает, что Мартин учился в университете Упсалы, где также училась последняя жертва. После обнаружения фотографии Готфрида и Мартина, сделанной в одном из городов, где было совершено убийство, Лисбет понимает, что сын Готфрида пошел по стопам отца.
Микаэль Блумквист одержим идеей найти доказательства в доме Мартина. Но тот догадывается о происходящем и усыпляет Микаэля, который случайно оказывается у него дома. Услышав шум, Блумквист просыпается в кандалах и с привязанным к ним канатом. В своих откровенных рассказах Мартин говорит Микаэлю о том, что он совершил множество изнасилований, пыток и убийств женщин в течение нескольких лет, к чему его приучил отец. Однако он отрицает убийство своей сестры. После того, как Мартин обещает убить Блумквиста, он надевает ему на голову полиэтиленовый мешок. Но вовремя осознавшая происходящее Лисбет, врывается в помещение и ударом клюшки для гольфа разбивает голову Мартину и валит его на пол. Саландер освобождает Микаэля, и тот приходит в чувство. Мартин предпринимает попытку покинуть территорию, используя автомобиль. Лисбет использует оставленный Мартином пистолет преследует его на своем мотоцикле. На высокой скорости автомобиль Мартина попадает в ДТП. При приближении к месту аварии, Саландер сталкивается с перевернувшейся машиной, которая взрывается и Мартин погибает в огне.
По мнению Микаэля, Харриет все еще может быть жива. По пути в Лондон, Блумквист и Саландер совершают взлом компьютерной сети Аните Вангер. Они надеются на то, что она может связаться с Харриет после получения сообщения от Блумквиста о смерти Мартина. Анита не предпринимает попыток связаться с Харриет и Блумквист делает вывод о том, что Анита Вангер на самом деле и есть Харриет, скрывающаяся под маской Аниты, чтобы скрыться от Мартина. Блумквист делится своими подозрениями с Аните/Харриет. Харриет рассказывает, что ее отец Готфрид в течение многих лет регулярно насиловал ее, и она, в конце концов, ударив его веслом по голове, убила его. Мартин был на месте преступления и видел все. До того как он был отправлен на обучение в Упсалу, Мартин неоднократно насилует Харриет. Когда Мартин находится на параде, Харриет вместе с Аните удается уехать из Швеции, поскольку она ожидает повторения насилия. До настоящего времени существовало две Аниты Вангер, пока настоящая Анита и её супруг не погибли в результате автокатастрофы, оставив это имя для Харриет. Харриет отправляла ежегодно букеты Хенрику, как напоминание о том, что она жива. После смерти брата, Харриет возвращается в Швецию, чтобы встретиться со своим дядей Хенриком.
Как и было обещано, Хенрик сообщает Блумквисту информацию о Веннерстрёме, но тот возмущён тем, что информация слишком устарела, чтобы использовать её в качестве доказательства в суде, так как уже прошло много времени для подачи иска, а обвинения не настолько серьезны. В то время Саландер взламывает компьютер Веннерстрёма. Там присутствует компромат, связанный с незаконным оборотом огнестрельного оружия и наркотических веществ. Новое расследование Блумквиста воспламеняет «Миллениум» и уничтожает Веннерстрёма.
С помощью хитроумной комбинации Саландер удается украсть у Веннерстрёма большую сумму денег, используя многочисленные банковские счета. Находка мертвого тела Веннерстрёма в Испании оставляет загадкой причину его смерти. Вновь вернувшись в Стокгольм, Саландер навещает своего престарелого опекуна Палмгрена, который после перенесенного инсульта не может самостоятельно передвигаться и прикован к инвалидному креслу. Она сообщает ему о том, что нашла себе друга, который может быть ей полезен, и она чувствует себя счастливой. Лисбет покупает Микаэлю дорогой кожаный жилет в качестве рождественского подарка. Ее приезд вызван желанием вручить ему подарок, однако она видит, что счастливые Блумквист и Бергер прогуливаются вместе. Находясь в полной уверенности, что она не нужна Блумквисту, Лисбет выбрасывает куртку в ближайший мусорный бак и отправляется прочь по улицам Стокгольма.
