En 1982 se descubre un cadáver en una granja colectiva durante la recolección. Una búsqueda posterior en los bosques adyacentes, autorizada por el especialista forense recién instalado, Viktor Burakov, hace aparecer otros siete cuerpos en distintos estados de descomposición. La película cuenta la historia de la posterior caza de ocho años por parte de Burakov del asesino en serie responsable de la mutilación y el asesinato de 53 personas, 52 de ellas menores de 35 años. Burakov es ascendido a detective y acaba siendo ayudado, de forma encubierta al principio, por el coronel Mikhail Fetisov, su oficial al mando y el astuto jefe del comité provincial para el crimen, y, mucho más tarde, por Alexandr Bukhanovsky, un psiquiatra con un interés particular en lo que él llama "psicología anormal".

Además de adoptar la forma de un thriller policíaco, la película describe la propaganda y la burocracia soviéticas que contribuyeron a que las fuerzas del orden no pudieran capturar al asesino, Andrei Chikatilo, durante casi una década. Los crímenes de Chikatilo no se hicieron públicos durante años. Los políticos locales temían que tales revelaciones tuvieran un impacto negativo en la imagen de la URSS, ya que los asesinos en serie se asociaban con la corrupción moral occidental.

La primera vez que Chikatilo fue investigado fue cuando se le vio en una estación y se le encontró con una bolsa que contenía un cuchillo. Fue rápidamente detenido. Desgraciadamente, fue protegido de la investigación y puesto en libertad debido a su pertenencia al Partido Comunista. Además, los laboratorios de criminalística soviéticos informaron erróneamente de que su tipo de sangre no coincidía con la encontrada en los asesinatos. Todo esto cambió con las reformas políticas de la glasnost y la perestroika, y la búsqueda del asesino comenzó a avanzar.

Con el paso del tiempo y la relajación de las restricciones políticas, Burakov diseña un plan para cubrir casi todas las estaciones de ferrocarril, donde el asesino en serie se aprovecha de los jóvenes y desprevenidos, con hombres uniformados llamativos para disuadir al asesino. Sin embargo, tres pequeñas estaciones quedan desatendidas, excepto por los agentes encubiertos. Chikatilo es finalmente descubierto e identificado gracias a la diligencia de un soldado local de paisano.

Detenido, Andrei Chikatilo es interrogado durante siete días consecutivos por Gorbunov, un soviético de línea dura que insiste en que sea él quien obtenga una confesión. Chikatilo no cede y, bajo la presión de Fetisov y Burakov, Gorbunov acepta otro enfoque. El psiquiatra Bukhanovsky se introduce en la sala de interrogatorios. Este recita sus largos análisis y especulaciones, realizados tres años antes, sobre la personalidad y las tendencias de este asesino sexualmente frustrado, al que había titulado "Ciudadano X". Bukhanovsky acaba por tocar la fibra sensible, y un Chikatilo lloroso admite finalmente su culpabilidad y responde a preguntas concretas sobre los detalles de algunos asesinatos. Después, Chikatilo conduce a los agentes de la ley a las escenas del crimen y a otras tres tumbas no detectadas.

Retenido en una jaula metálica durante su juicio, un Chikatilo de ojos salvajes es declarado culpable y condenado a muerte. La película concluye con Chikatilo siendo conducido a una cámara de la prisión sin nombre y le muestra mirando atónito a un desagüe central en el suelo de la habitación mientras un soldado uniformado dispara una pistola en la nuca del asesino.