La película comienza al final de La chica que soñaba con una cerilla. La hacker informática Lisbeth Salander es trasladada por aire a un hospital de Gotemburgo para recuperarse de las heridas de bala que le ha infligido su padre, el jefe del crimen Alexander Zalachenko. El periodista Mikael Blomkvist, a quien Salander ayudó en un caso anterior, reanuda sus esfuerzos para exculparla de varios cargos de asesinato, sabiendo que fue incriminada por la "Sección", un grupo del Servicio de Seguridad sueco que dio refugio ilegal a Zalachenko tras su deserción de la Unión Soviética.

Los miembros de la Sección, Evert Gullberg y Fredrik Clinton, deciden silenciar a Zalachenko y a Salander para preservar sus secretos. Gullberg llega al hospital y mata a Zalachenko, pero es incapaz de llegar a Salander; entonces se suicida. Clinton planea volver a internar a Salander en el hospital psiquiátrico en el que la Sección la internó de niña después de que casi matara a Zalachenko. Su colaborador en este plan es el Dr. Peter Teleborian, el administrador del hospital, que "trataba" a la joven Salander poniéndole correas por las infracciones más pequeñas.

Blomkvist convence a su médico para que introduzca a escondidas un teléfono con Internet en la habitación de Salander, tras lo cual ésta se pone en contacto con su compañero hacker, Plague, para ver si puede encontrar algo sobre Teleborian. Entonces le dice a Blomkvist que Annika Giannini, su abogada y hermana de Blomkvist, tiene permiso para utilizar un vídeo en el que se ve a su tutor designado por el Estado, Nils Bjurman, violándola; Bjurman, un antiguo empleado de la Sección, es una de las personas a las que se acusa de asesinar.

Ronald Niedermann, hijo de Zalachenko y ejecutor que anteriormente intentó matar a la novia de Salander, Miriam, sigue siendo un fugitivo, buscado por matar a un agente de policía. Sonny, miembro de una banda de moteros forajidos que Salander conoció en la película anterior, se entera de que Niedermann fue a su casa a esconderse. Allí, Sonny encuentra a su hermano muerto y a su novia malherida. Ella le dice que Niedermann fue el culpable, y Sonny jura vengarse.

El día de su juicio por asesinato, Salander entra en el tribunal con piercings, una cresta, maquillaje negro y ropa de cuero negra. Llamado como testigo experto de la acusación, Teleborian caracteriza a Salander como delirante y violenta; pero Giannini va demoliendo su credibilidad, utilizando las palabras de Salander y los archivos del hospital. También presenta el vídeo que demuestra que Bjurman violó a Salander.

Mientras Giannini presenta su caso, la policía detiene a las personas implicadas en la Sección y confisca su lugar de trabajo. En el juicio, Blomkvist y Giannini demuestran que Teleborian hizo un diagnóstico falso por orden de la Sección y que las pruebas contra ella fueron plantadas. A continuación, Teleborian es detenido por posesión de pornografía infantil, que Plague descubrió tras hackear su ordenador portátil. El tribunal deja en libertad a Salander.

Salander comprueba una propiedad que ha heredado de su padre y descubre el almacén donde se esconde su hermanastro Niedermann. Él intenta matarla, pero ella le clava los pies en el suelo con una pistola de clavos. Llama a Sonny y les dice a los moteros dónde encontrarlo, y luego llama a la policía.

Blomkvist visita a Salander para contarle que la banda de moteros ha matado a Niedermann y que después han sido detenidos en el almacén. A continuación, se reconcilian y toman caminos distintos.