Los Mindhunters son un grupo de agentes del FBI en prácticas que se están formando como perfiladores. Su instructor, el experimentado perfilador Jake Harris, emplea un enfoque de formación muy realista asignando al grupo variantes de investigaciones reales, incluyendo elaborados decorados, atrezzo y actores del FBI, para representar cada escenario.

El grupo de estudiantes está formado por Bobby, Vince, Nicole, Sara, Rafe y Lucas. Junto a Harris está J.D., un experimentado agente que lidera el grupo y que, en secreto, también es amante de Nicole. Cerca del final de su entrenamiento, la moral general del grupo es alta. Sin embargo, Vince descubre que ni él ni Sara alcanzarán el rango de "perfilador" tras leer en secreto sus evaluaciones de formación.

El grupo viaja con Harris y J.D. a una pequeña isla de la costa de Carolina del Norte para completar su último ejercicio de entrenamiento. En el último momento, se les une Gabe, un observador externo que ha solicitado ver en acción los métodos de enseñanza de Harris. La Marina utiliza la isla para entrenarse en situaciones de rescate de rehenes y brotes epidémicos, y cuenta con una "población" de maniquíes, vehículos sobre raíles mecánicos y escaparates de pequeñas ciudades. Al igual que en sus entrenamientos anteriores, Harris planea utilizar la ciudad para su examen final, siguiendo la pista de un asesino en serie que se hace llamar "El Marionetista". El equipo se instala por la noche y practica sus habilidades de elaboración de perfiles, tras lo cual se revela que Gabe también es un experto elaborador de perfiles por derecho propio. Sara y Lucas estrechan brevemente sus lazos familiares. La hermana de Sara fue asesinada y se ahogó años antes, lo que le provocó un miedo persistente al agua, mientras que los padres de Lucas murieron cuando él tenía 10 años. Los dos deciden utilizar el escenario para enfrentarse a sus miedos personales.

A la mañana siguiente, el grupo encuentra un gato muerto con un reloj de bolsillo roto en la boca. Más tarde, durante la investigación inicial del escenario del "titiritero", J.D. muere tras activar el mecanismo de un reloj que hace que un tanque de nitrógeno líquido (mal etiquetado como helio) lo congele instantáneamente. Al darse cuenta de que la muerte de J.D. no es accidental ni forma parte del simulacro de entrenamiento, el grupo se dirige al muelle para abandonar la isla, pero el barco explota antes de que puedan embarcar. Después de regresar a la base, el grupo se da cuenta de que los relojes rotos encontrados en cada escena apuntan al hecho de que hay un verdadero asesino en serie en la isla, que ha cooptado el ejercicio de entrenamiento y ahora los está persiguiendo. El modus operandi del asesino indica que planea matar a alguien a la hora señalada por los relojes rotos. Tras una búsqueda exhaustiva en la isla que no revela la presencia de nadie más, el grupo llega a la conclusión de que el asesino debe ser uno de ellos.

Las sospechas apuntan inicialmente a Gabe, ya que Lucas encontró mapas y documentos de la isla en su equipaje. Sin embargo, cuando el grupo se enfrenta a él, todos se desmayan porque les han drogado el café. Al despertar, descubren que el asesino asesinó a Rafe mientras estaban inconscientes, drenando su sangre y dejando su cabeza cortada sobre una mesa, lo que hace que las sospechas vuelvan de nuevo a Gabe. A pesar de las sospechas, Gabe salva a Vince de otra trampa que implica tuberías de agua rotas y electrocución. Bobby, en cambio, es asesinado por una trampa secundaria cuando va a cortar el agua. Sara deduce que las trampas se basan en sus puntos fuertes, talentos y debilidades, lo que lleva a los perfiles restantes a permanecer unidos. Cuando se descubren más pistas, las sospechas recaen sobre Sara, que insiste en que le están tendiendo una trampa. Nicole se marcha para quedarse sola, pero es la siguiente en morir tras fumar un cigarrillo con ácido.

Inesperadamente, los altavoces de la isla emiten un mensaje burlón de Harris, lo que hace que el grupo se dé cuenta de que no abandonó la isla como afirmaba. Convencidos de que Harris es el asesino, Sara, Gabe y Lucas lo buscan, sólo para encontrar a Harris y a otros dos agentes del FBI muertos en un escaparate oculto. Harris ha sido colgado con cables del techo como una marioneta, igual que en la falsa escena del crimen del "Titiritero" que iban a investigar. Los tres se vuelven unos contra otros tras activar otra trampa y Lucas resulta herido durante el tiroteo que se produce a continuación. Vince queda atrapado en un congelador después de intentar recargar su arma vacía, y pronto muere cuando su arma le sale por la culata en el ascensor.

Sara encuentra el cuerpo de Vince, pero Gabe le tiende una emboscada. Los dos luchan entre sí, creyendo que la otra persona es el asesino. Gabe consigue dominar a Sara, pero es atacado por Lucas. Sara se recupera y golpea a Gabe en la cabeza con un extintor. Lucas revela que llevaba un chaleco antibalas, lo que le permitió sobrevivir al disparo. Con Gabe sometido, Lucas expresa sus dudas de que haya suficientes pruebas para demostrar que Gabe fue el asesino. Sara, sin embargo, revela que encontró una manera de ir un paso por delante del asesino. Sabiendo que el asesino se basaba en mecanismos cronometrados y mandos a distancia, además de disfrutar viendo su ansiedad bajo presión, cambió uno de los relojes para que pareciera retrasado quince minutos, y lo cubrió con un polvo que brilla fosforescente bajo la luz negra; razonando que el asesino no podría resistirse a poner el reloj en la hora correcta, coge una luz negra para escanear las manos de Gabe y revelarlo como el asesino sólo para encontrar el polvo marcador en las manos de Lucas en su lugar. Lucas confiesa que sus padres no murieron en un accidente, sino que él los mató. Luchando por encontrar objetivos más emocionantes, se unió al FBI y planeó matar a sus brillantes compañeros de perfiles, las únicas personas que él pensaba que serían "presas dignas". Lucas intenta ahogar a Sara, pero ella consigue tirarle al agua de una patada.

Los dos luchan de nuevo y recuperan sus armas bajo el agua, aunque Sara consigue matar a Lucas de un disparo antes de que él pueda matarla a ella. Gabe se recupera de su herida anterior y, cuando llega la mañana, Gabe y Sara abordan un helicóptero de la Marina estadounidense para abandonar la isla.