Film aksi misteri Korea Phantom Detective menghadirkan kisah Hong Gil-Dong, detektif ilegal dengan kemampuan luar biasa dalam melacak siapa pun hanya dalam waktu satu hari. Bersama Presiden Hwang, ia menjalankan agensi rahasia yang memburu para penjahat sesuai pesan terakhir ayah Presiden Hwang.

Di balik kemampuan hebatnya, Hong Gil-Dong menyimpan luka masa lalu yang belum sembuh. Sejak usia delapan tahun, ia hidup dengan trauma setelah menyaksikan ibunya dibunuh oleh seorang pria bernama Kim Byeong-Duk. Selama lebih dari 20 tahun, Gil-Dong terus memburu pelaku tersebut, tetapi Kim Byeong-Duk selalu berhasil menghilang tanpa jejak.

Setelah pencarian panjang, Gil-Dong akhirnya menemukan lokasi Kim Byeong-Duk dan segera mendatanginya pada malam hari. Namun saat tiba, pria itu ternyata sudah lebih dulu diculik oleh pihak misterius. Yang tersisa hanya dua cucunya, Dong-Yi dan Mal-Soon.

Didorong rasa balas dendam, Hong Gil-Dong membawa kedua anak itu untuk mencari sang kakek. Perjalanan mereka kemudian berubah menjadi petualangan berbahaya ketika mereka terlibat dengan organisasi kriminal besar bernama Gwangeunhwe, kelompok jahat yang memiliki kekuatan dan pengaruh mengerikan.

Di tengah aksi pengejaran, pertarungan, dan misteri yang perlahan terungkap, Hong Gil-Dong harus menghadapi kenyataan tentang masa lalunya sekaligus memilih antara balas dendam atau melindungi orang-orang yang kini bergantung padanya.