Film Sayap-Sayap Patah 2: Olivia menghadirkan kisah aksi sekaligus drama keluarga yang menegangkan. Cerita bermula dari ledakan bom berkekuatan besar di sebuah kafe yang sering dikunjungi warga asing. Peristiwa itu menewaskan puluhan orang dan langsung memicu penyelidikan besar dari aparat keamanan.

Ledakan tersebut terjadi bertepatan dengan bebasnya seorang pimpinan teroris bernama Leong dari penjara. Hal ini membuat pimpinan Densus 88, Sadikin, mencurigai bahwa aksi teror tersebut merupakan bentuk perayaan atau sinyal kembalinya Leong ke jaringan lamanya. Untuk memastikan dugaan itu, Sadikin menugaskan anggota andalannya, Pandu, untuk mengawasi setiap gerak-gerik Leong setelah keluar dari penjara.

Dalam penyelidikan di lapangan, Pandu dan timnya menemukan fakta bahwa Leong kini hidup bersama anak lelakinya, Askar, yang menjalankan usaha jasa perbaikan elektronik. Kehidupan Leong terlihat sederhana dan jauh dari aktivitas terorisme, tetapi Pandu tetap harus memastikan apakah pria itu masih terhubung dengan jaringan lama.

Di sisi lain, Pandu sendiri sedang menghadapi masa sulit dalam kehidupan pribadinya. Ia baru saja kehilangan sang istri karena sakit. Putri semata wayangnya yang masih berusia tujuh tahun, Olivia, sangat membutuhkan perhatian darinya. Untuk sementara, Olivia dirawat oleh neneknya yang mulai menua dan sering sakit. Situasi ini membuat Pandu harus membagi fokus antara tugas berbahaya sebagai aparat antiteror dan tanggung jawab sebagai ayah.

Ketegangan semakin meningkat ketika muncul ancaman bom bunuh diri dari kelompok teroris lain yang dipimpin Wabil. Kelompok ini diketahui berada di bawah jaringan yang lebih besar dari Malaysia yang dipimpin Dr. Azahari. Ancaman tersebut membuat konsentrasi Densus 88 terpecah karena harus menghadapi dua potensi ancaman sekaligus.

Kini pertanyaan besar pun muncul, apakah jaringan teroris baru itu memiliki kaitan dengan Leong atau tidak? Sementara penyelidikan terus berjalan, waktu terasa seperti bom dengan hitungan mundur yang bisa meledak kapan saja.